WO2022009428A1 - 回折光学装置 - Google Patents

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WO2022009428A1
WO2022009428A1 PCT/JP2020/027097 JP2020027097W WO2022009428A1 WO 2022009428 A1 WO2022009428 A1 WO 2022009428A1 JP 2020027097 W JP2020027097 W JP 2020027097W WO 2022009428 A1 WO2022009428 A1 WO 2022009428A1
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phase pattern
diffractive optical
line beam
light intensity
optical element
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PCT/JP2020/027097
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French (fr)
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寛仁 西
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住友電工ハードメタル株式会社
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    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B2005/1804—Transmission gratings

Definitions

  • This disclosure relates to a diffractive optical device.
  • Patent Document 1 discloses a diffractive optical element (DOE) that converts a circular laser beam into a line beam. The work is processed using a line beam.
  • DOE diffractive optical element
  • the diffractive optical device of the present disclosure includes at least one diffractive optical element.
  • the at least one diffractive optical element generates primary light and secondary light having different diffraction orders from the laser beam incident on the at least one diffractive optical element, and the primary light and the second light are generated.
  • the secondary light is superimposed on the optical axis of the laser beam so that the primary light and the secondary light interfere with each other.
  • the at least one diffractive optical element includes a first phase pattern and a second phase pattern.
  • the first phase pattern converts the laser beam into a line beam.
  • the second phase pattern diffracts the laser beam in the minor axis direction of the line beam to produce primary and secondary light.
  • the first focal plane of the primary light is located at a position different from the second focal plane of the secondary light.
  • FIG. 1 is a schematic side view of the laser beam irradiation device of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the laser beam irradiation device of the first embodiment.
  • FIG. 3A is a diagram showing a cross-sectional shape of a laser beam incident on the diffractive optical device of the first embodiment.
  • FIG. 3B is a diagram showing a cross-sectional shape of the line beam of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating interference between the primary light and the secondary light emitted from the diffractive optical device of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a phase pattern of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing the first phase pattern of Examples 1 to 11 and the phase pattern of the comparative example.
  • FIG. 13 is a diagram showing a second phase pattern of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a second phase pattern of the first embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing defocus characteristics of the diffractive optical device of Example 1 on the yz plane (a plane defined by the minor axis direction and the optical axis direction of the line beam).
  • FIG. 15 is a diagram showing defocus characteristics of the diffractive optical device of Example 1 on the xz plane (a plane defined by the long axis direction and the optical axis direction of the line beam).
  • FIG. 16 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the first embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of the first embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of the first embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of the comparative example.
  • FIG. 21 is a diagram showing defocus characteristics on the xz plane of the diffractive optical device of the comparative example.
  • FIG. 22 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the comparative example.
  • FIG. 23 is a diagram showing a relative light intensity profile in the minor axis direction of the line beam of the comparative example.
  • FIG. 20 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of the comparative example.
  • FIG. 21 is a diagram showing defocus characteristics on the xz plane of the diffractive optical device of the comparative example.
  • FIG. 22 is a diagram showing
  • FIG. 24 is a diagram showing a long-axis relative light intensity profile of the line beam of the comparative example.
  • FIG. 25 is a diagram showing a phase pattern of the second embodiment.
  • FIG. 29 is a diagram showing a second phase pattern of the second embodiment.
  • FIG. 30 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the second embodiment on the yz plane.
  • FIG. 30 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the second embodiment on the yz plane.
  • FIG. 31 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the second embodiment on the xz plane.
  • FIG. 32 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the second embodiment.
  • FIG. 33 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of the second embodiment.
  • FIG. 34 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of the second embodiment.
  • FIG. 35 is a diagram showing a phase pattern of the third embodiment.
  • FIG. 39 is a diagram showing a second phase pattern of the third embodiment.
  • FIG. 40 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 3.
  • FIG. 41 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the third embodiment on the xz plane.
  • FIG. 42 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the third embodiment.
  • FIG. 43 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of the third embodiment.
  • FIG. 44 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of the third embodiment.
  • FIG. 45 is a diagram showing a phase pattern of the fourth embodiment.
  • FIG. 49 is a diagram showing a second phase pattern of the fourth embodiment.
  • FIG. 50 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 4.
  • FIG. 51 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the fourth embodiment on the xz plane.
  • FIG. 50 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 4.
  • FIG. 52 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the fourth embodiment.
  • FIG. 53 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of the fourth embodiment.
  • FIG. 54 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of the fourth embodiment.
  • FIG. 55 is a diagram showing a phase pattern of the fifth embodiment.
  • FIG. 59 is a diagram showing the second phase pattern of the fifth embodiment.
  • FIG. 60 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 5.
  • FIG. 61 is a diagram showing defocus characteristics of the diffractive optical device of Example 5 on the xz plane.
  • FIG. 62 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the fifth embodiment.
  • FIG. 63 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of Example 5.
  • FIG. 64 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of Example 5.
  • FIG. 65 is a diagram showing the phase pattern of the sixth embodiment.
  • FIG. 69 is a diagram showing the second phase pattern of the sixth embodiment.
  • FIG. 70 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the sixth embodiment on the yz plane.
  • FIG. 71 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the sixth embodiment on the xz plane.
  • FIG. 72 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the sixth embodiment.
  • FIG. 73 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of the sixth embodiment.
  • FIG. 74 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of Example 6.
  • FIG. 75 is a diagram showing a phase pattern of the seventh embodiment.
  • FIG. 79 is a diagram showing the second phase pattern of the seventh embodiment.
  • FIG. 80 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 7.
  • FIG. 81 is a diagram showing defocus characteristics of the diffractive optical device of Example 7 on the xz plane.
  • FIG. 82 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the seventh embodiment.
  • FIG. 83 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of Example 7.
  • FIG. 84 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of Example 7.
  • FIG. 85 is a diagram showing a phase pattern of the eighth embodiment.
  • FIG. 89 is a diagram showing a second phase pattern of the eighth embodiment.
  • FIG. 90 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 8.
  • FIG. 91 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the eighth embodiment on the xz plane.
  • FIG. 90 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 8.
  • FIG. 91 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical
  • FIG. 92 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the eighth embodiment.
  • FIG. 93 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of Example 8.
  • FIG. 94 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of Example 8.
  • FIG. 95 is a diagram showing a phase pattern of the ninth embodiment.
  • FIG. 99 is a diagram showing the second phase pattern of the ninth embodiment.
  • FIG. 100 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 9.
  • FIG. 101 is a diagram showing defocus characteristics of the diffractive optical device of Example 9 on the xz plane.
  • FIG. 102 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the ninth embodiment.
  • FIG. 103 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of the ninth embodiment.
  • FIG. 104 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of Example 9.
  • FIG. 105 is a diagram showing a phase pattern of the tenth embodiment.
  • FIG. 109 is a diagram showing a second phase pattern of the tenth embodiment.
  • FIG. 110 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 10.
  • FIG. 110 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 10.
  • FIG. 111 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the tenth embodiment on the xz plane.
  • FIG. 112 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the tenth embodiment.
  • FIG. 113 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of the tenth embodiment.
  • FIG. 114 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of Example 10.
  • FIG. 115 is a diagram showing a phase pattern of the eleventh embodiment.
  • FIG. 112 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the tenth embodiment.
  • FIG. 113 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of the tenth embodiment.
  • FIG. 119 is a diagram showing a second phase pattern of the eleventh embodiment.
  • FIG. 120 is a diagram showing defocus characteristics on the yz plane of the diffractive optical device of Example 11.
  • FIG. 121 is a diagram showing the defocus characteristics of the diffractive optical device of the eleventh embodiment on the xz plane.
  • FIG. 122 is a diagram showing a relative light intensity profile in the optical axis direction of the line beam of the eleventh embodiment.
  • FIG. 123 is a diagram showing a short axis relative light intensity profile of the line beam of the eleventh embodiment.
  • FIG. 124 is a diagram showing a long axis relative light intensity profile of the line beam of the eleventh embodiment.
  • FIG. 125 is a schematic side view of the laser beam irradiation device of the second embodiment.
  • FIG. 126 is a schematic plan view of the laser beam irradiation device of the second embodiment.
  • the diffractive optics focus the laser beam more strongly in the minor axis direction of the line beam than in the major axis direction of the line beam.
  • the line beam diverges sharply in the minor axis direction of the line beam. Therefore, the depth of focus of the line beam is short.
  • the machining characteristics of the work are greatly changed even if the distance between the diffractive optical element and the work is slightly changed.
  • An object of the present disclosure is to provide a diffractive optical device capable of obtaining a line beam having a longer depth of focus.
  • the diffractive optical device includes at least one diffractive optical element.
  • the at least one diffractive optical element generates primary light and secondary light having different diffraction orders from the laser beam incident on the at least one diffractive optical element, and the primary light and the second light are generated.
  • the secondary light is superimposed on the optical axis of the laser beam so that the primary light and the secondary light interfere with each other.
  • the at least one diffractive optical element includes a first phase pattern and a second phase pattern.
  • the first phase pattern converts the laser beam into a line beam.
  • the second phase pattern diffracts the laser beam in the minor axis direction of the line beam to produce primary and secondary light.
  • the first focal plane of the primary light is located at a position different from the second focal plane of the secondary light.
  • the second phase pattern includes a central phase pattern and peripheral phase patterns arranged on both sides of the central phase pattern in the minor axis direction of the line beam. ..
  • the central phase pattern gives the laser beam a first optical phase.
  • the peripheral phase pattern gives the laser beam a second optical phase that is different from the first optical phase.
  • the difference between the first optical phase and the second optical phase is ⁇ .
  • the central phase pattern is uniform in the long axis direction of the line beam.
  • the peripheral phase pattern is uniform in the long axis direction of the line beam.
  • the second phase pattern does not generate diffracted light in the long axis direction of the line beam, which does not cause the problem of depth of focus. Therefore, it is possible to obtain a line beam having a longer depth of focus without affecting the long axis direction of the line beam.
  • the primary light is a +1st order diffractive beam.
  • the second light is a -1st order diffracted beam.
  • the wavelength of the laser beam is ⁇
  • the 1 / e 2 beam diameter of the laser beam is ⁇
  • the first refractive power of the second phase pattern with respect to the + 1st-order diffracted beam in the minor axis direction of the line beam is P + 1
  • the minor axis of the line beam Assuming that the second refractive power of the second phase pattern with respect to the -1st order diffracted beam in the direction is P -1
  • P + 1 and P -1 are given by the following equation (1).
  • the coefficient C satisfies the following equation (2).
  • the coefficient C satisfies the following equation (3).
  • the coefficient C satisfies the following equation (4).
  • At least one diffractive optical element is one diffractive optical element including a light incident surface and a light emitting surface.
  • the first phase pattern is formed on either a light incident surface or a light emitting surface.
  • the second phase pattern is formed on either a light incident surface or a light emitting surface.
  • the diffractive optical device can be miniaturized.
  • the alignment of the diffractive optical device becomes easy. Disturbance of the cross-sectional shape of the line beam can be reduced.
  • one diffractive optical element includes a phase pattern in which a first phase pattern and a second phase pattern are superimposed.
  • the phase pattern is formed on either the light incident surface or the light emitting surface.
  • the first phase pattern and the second phase pattern can be more accurately aligned with each other. Disturbance of the cross-sectional shape of the line beam can be reduced.
  • At least one diffractive optical element is a first diffractive optical element and a second diffractive optical element arranged along the optical axis. It is an element.
  • the first phase pattern is formed on the first diffraction optical element.
  • the second phase pattern is formed on the second diffraction optical element.
  • At least one diffractive optical element is one diffractive optical element including a light incident surface and a light emitting surface.
  • One diffractive optical element includes a phase pattern in which a first phase pattern and a second phase pattern are superimposed. The phase pattern is formed on either the light incident surface or the light emitting surface.
  • the primary light is a + 1st order diffracted beam.
  • the second light is a -1st order diffracted beam.
  • the wavelength of the laser beam is ⁇
  • the 1 / e 2 beam diameter of the laser beam is ⁇
  • the first refractive power of the second phase pattern with respect to the + 1st-order diffracted beam in the minor axis direction of the line beam is P + 1
  • the minor axis of the line beam Assuming that the second refractive power of the second phase pattern with respect to the -1st order diffracted beam in the direction is P -1 , P + 1 and P -1 are given by the following equation (5).
  • the coefficient C satisfies the following equation (6).
  • the laser beam irradiation device 1 of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 18.
  • the laser beam irradiating device 1 is, for example, a device that irradiates the work 30 with a line beam 20.
  • the work 30 is processed using, for example, a line beam 20.
  • the work 30 is, for example, a semiconductor wafer, a glass substrate, a thin film formed on the substrate, or the like.
  • the laser beam irradiation device 1 includes a laser light source 5 and a diffraction optical device 10.
  • the laser light source 5 is, for example, a fiber laser, a semiconductor laser, a solid-state laser such as a YAG laser, or a gas laser such as a carbon dioxide gas laser.
  • the laser beam 6 emitted from the laser light source 5 is incident on the diffractive optical device 10.
  • the cross-sectional shape of the laser beam 6 is, for example, circular.
  • the light intensity distribution of the laser beam 6 in the cross section of the laser beam 6 is, for example, a Gaussian distribution.
  • the cross section of the light beam has a cross section perpendicular to the optical axis of the light beam (the optical axis 11 of the laser beam 6 and the optical axis 11 of the diffractive optical device 10).
  • the cross-sectional shape of the light beam is the light in the cross section perpendicular to the optical axis of the light beam (for example, the optical axis 11 of the laser beam 6 and the optical axis 11 of the diffractive optical device 10). It means the shape of the beam.
  • the direction along the optical axis 11 is referred to as the z-axis direction.
  • the diffractive optical device 10 can convert the laser beam 6 (see FIG. 3A) into a line beam 20 (see FIG. 3B) elongated from the laser beam 6. That is, the diffractive optical device 10 can convert the laser beam 6 into a line beam 20 having an aspect ratio larger than the aspect ratio of the laser beam 6.
  • the aspect ratio of the beam represents the degree of slenderness of the beam.
  • the major axis direction of the line beam 20 is referred to as the x-axis direction
  • the minor axis direction of the line beam 20 is referred to as the y-axis direction.
  • the diffractive optical device 10 can increase the depth of focus of the line beam 20.
  • the diffractive optical device 10 includes at least one diffractive optical element (diffractive optical element 12).
  • the at least one diffractive optical element is made of an optical material that is transparent to the laser beam 6, such as glass or a transparent resin.
  • At least one diffractive optical element includes a first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and a second phase pattern 15 shown in FIG.
  • the phase pattern imparts a phase to the light beam passing through the phase pattern according to the local thickness of the diffractive optical element on which the phase pattern is formed.
  • the phase pattern changes the wavefront of the light beam, for example, focusing or diffracting the light beam.
  • the first phase pattern 14 and the second phase pattern 15 are formed by, for example, using a photolithography step to pattern the surface of a plate transparent to the laser beam 6.
  • At least one diffractive optical element is one diffractive optical element 12 including a light incident surface 12a and a light emitting surface 12b.
  • the first phase pattern 14 and the second phase pattern 15 are formed on the light emitting surface 12b of the diffractive optical element 12. That is, as shown in FIGS. 5 to 8, the diffractive optical element 12 includes a phase pattern 13 on which the first phase pattern 14 and the second phase pattern 15 are superimposed, and the phase pattern 13 is the diffractive optical element 12. It is formed on the light emitting surface 12b of the above.
  • At least one diffractive optical element has a first diffraction order different from that of the laser beam 6 incident on at least one diffractive optical element (diffractive optical element 12).
  • the secondary light 21 and the secondary light 22 are generated, and the primary light 21 and the secondary light 22 are superposed on the optical axis 11 of the laser beam 6, so that the primary light 21 and the second light 21 and the second light 22 are superposed.
  • the secondary light 22 and the secondary light 22 interfere with each other.
  • the first focal plane 23 of the primary light 21 is located at a position different from the second focal plane 24 of the secondary light 22.
  • the first phase pattern 14 converts the laser beam 6 into a line beam 20 (see FIG. 3B) that is elongated from the laser beam 6.
  • the first phase pattern 14 focuses the laser beam 6 in the short axis direction (y-axis direction) of the line beam 20.
  • the first phase pattern 14 has a positive refractive power in the short axis direction (y-axis direction) of the line beam 20.
  • the second phase pattern 15 diffracts the laser beam 6 in the short axis direction (y-axis direction) of the line beam 20 to generate the primary light 21 and the secondary light 22.
  • the primary light 21 is, for example, a + 1st order diffracted beam.
  • the second light 22 is, for example, a -1st order diffracted beam.
  • the second phase pattern 15 includes the central phase pattern 15a and the peripheral phase pattern 15b.
  • the peripheral phase pattern 15b is arranged on both sides of the central phase pattern 15a in the short axis direction (y-axis direction) of the line beam 20.
  • the central phase pattern 15a imparts a first optical phase to the laser beam incident on the second phase pattern 15.
  • the peripheral phase pattern 15b gives the laser beam incident on the second phase pattern 15 a second optical phase different from the first optical phase.
  • the difference between the first optical phase and the second optical phase is, for example, ⁇ .
  • the second phase pattern 15 may be uniform in the long axis direction (x-axis direction) of the line beam 20.
  • the central phase pattern 15a is uniform in the major axis direction (x-axis direction) of the line beam 20
  • the peripheral phase pattern 15b is uniform in the major axis direction (x-axis direction) of the line beam 20. It may be uniform. Therefore, the second phase pattern 15 may diffract the laser beam 6 only in the minor axis direction (y-axis direction) of the line beam 20.
  • the first refractive power of the second phase pattern 15 with respect to the primary light 21 in the short axis direction (y-axis direction) of the line beam 20 is relative to the secondary light 22 in the short axis direction (y-axis direction) of the line beam 20. It is different from the second refractive power of the second phase pattern 15.
  • the first refractive power may be larger than the second refractive power. Therefore, on the optical axis 11 of the laser beam 6, the first focal plane 23 of the primary light 21 is located at a position different from the second focal plane 24 of the secondary light 22.
  • the second phase pattern 15 has a positive refractive power with respect to the first light 21 (for example, a +1st order diffracted beam) in the short axis direction (y-axis direction) of the line beam 20.
  • the second phase pattern 15 has a negative refractive power with respect to the second light 22 (for example, the -1st order diffractive beam) in the short axis direction (y-axis direction) of the line beam 20. Due to the positive diffractive force of the first phase pattern 14 and the positive diffractive force of the second phase pattern 15 with respect to the primary light 21, the first focal plane 23 of the primary light 21 is as shown in FIG.
  • the diffractive optical device 10 or at least one diffractive optical element (diffractive optical element 12) with respect to the focal plane 25.
  • the second focal plane 24 of the secondary light 22 is shown in FIG.
  • the diffraction optical device 10 or at least one diffractive optical element (diffractive optical element 12) is distal to the focal plane 25.
  • the focal plane 25 is a plane perpendicular to the optical axis 11 (z-axis) in the short axis direction of the line beam formed only by the first phase pattern 14 as in the comparative example described later. It is defined as the surface with the minimum length (in the y-axis direction).
  • the focal plane 25 may be referred to as the focal plane 25 of the diffractive optical device 10.
  • the focal plane 25 of the diffractive optical device 10 is located, for example, on the surface of the work 30 or in the work 30.
  • the first focal plane 23 of the primary light 21 is at a different position from the second focal plane 24 of the secondary light 22. Then, the primary light 21 and the secondary light 22 overlap each other on the optical axis 11 of the laser beam 6 (the optical axis 11 of the diffractive optical device 10) and interfere with each other. Therefore, the depth of focus of the line beam 20 can be lengthened.
  • the depth of focus D z is defined as the length on the optical axis 11 (z axis) at which the relative light intensity in the optical axis direction of the line beam 20 is 0.5 or more.
  • the relative light intensity in the optical axis direction of the line beam 20 is obtained by dividing the light intensity of the line beam 20 on the optical axis 11 (z axis) by the maximum light intensity of the line beam 20 on the optical axis 11 (z axis). Given.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is preferably 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the optical axis relative light intensity profile means the distribution of the optical axis relative light intensity on the optical axis (z axis). Therefore, the light intensity in the irradiation region of the line beam 20 becomes more uniform. Processing variation of the work 30 in the irradiation region of the line beam 20 can be reduced.
  • the first position P 1 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20 has an optical axis relative light intensity of 0.5 in the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 in the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20. It is a position on the optical axis 11 most proximal to the diffractive optical device 10 (or the laser light source 5).
  • the light intensity peak of the line beam 20 on the short axis (y-axis) of the line beam 20 on the focal plane 25 of the diffractive optical device 10 is flattened. That is, the relative light intensity profile of the line beam 20 on the short axis (y-axis) of the line beam 20 on the focal plane 25 of the diffractive optical device 10 (hereinafter referred to as “the short axis direction relative light intensity profile of the line beam 20””. ) Has a flat top shape. Therefore, the light intensity in the irradiation region of the line beam 20 becomes more uniform. Processing variation of the work 30 in the irradiation region of the line beam 20 can be reduced.
  • the short-axis relative light intensity profile of the line beam 20 means the distribution of the short-axis relative light intensity on the short axis (y-axis) of the line beam 20 on the focal plane 25.
  • the relative light intensity in the short axis direction of the line beam 20 is the light intensity of the line beam 20 on the short axis (y-axis) of the line beam 20 on the focal plane 25, and the short axis (y-axis) of the line beam 20 on the focal plane 25. It is given by dividing by the maximum light intensity of the line beam 20 above.
  • the 0.9 peak width W 1 of the short-axis relative light intensity profile of the line beam 20 is on the short axis (y-axis) of the focal plane 25 where the short-axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.9 or more. Defined as the length of.
  • the 1 / e 2 peak width W 2 of the short axis direction relative light intensity profile of the line beam 20 is the short axis (y) on the focal plane 25 where the short axis direction relative light intensity of the line beam 20 is 1 / e 2 or more.
  • Axis Defined as the length on.
  • the third position P 3 of the short-axis relative light intensity profile of the line beam 20 has a short-axis relative light intensity of 0.9 in the short-axis relative light intensity profile of the line beam 20. It is the position most distal to the optical axis 11 in the + y-axis direction.
  • Fourth position P 4 along the short axis relative light intensity profile of the line beam 20, of the short axis direction relative light intensity profile of the line beam 20, a minor-axis direction relative light intensity of the line beam 20 is 0.9 and It is the position most distal to the optical axis 11 in the ⁇ y-axis direction.
  • the diffractive optical device 10 of the present embodiment is a laser beam 6 required to obtain a short axis relative light intensity profile of a line beam 20 having a small short axis width close to the diffraction limit and a flat top shape.
  • the diameter can be reduced. Therefore, the diffractive optical device 10 can be miniaturized. The cost of the diffractive optical device 10 can be reduced.
  • the first phase pattern 14 and the second phase pattern 15 can be formed with higher accuracy.
  • the light intensity peak of the line beam 20 on the long axis (x-axis) of the line beam 20 on the focal plane 25 of the diffractive optical device 10 is flattened. That is, the relative light intensity profile of the line beam 20 on the long axis (x-axis) of the line beam 20 on the focal plane 25 of the diffractive optical device 10 (hereinafter referred to as “long-axis direction relative light intensity profile of the line beam 20””. ) Has a flat top shape.
  • the ratio W 3 / W 4 of 0.9 peak width W 3 of the long axis relative light intensity profile of the line beam 20 to 1 / e 2 peak width W 4 of the long axis relative light intensity profile of the line beam 20 is , 0.400 or more.
  • the long-axis relative light intensity profile of the line beam 20 means the distribution of the long-axis relative light intensity on the long axis (x-axis) of the line beam 20 on the focal plane 25.
  • the relative light intensity in the major axis direction of the line beam 20 is the light intensity of the line beam 20 on the major axis (x axis) of the line beam 20 on the focal plane 25, and the major axis (x axis) of the line beam 20 on the focal plane 25. It is given by dividing by the maximum light intensity of the line beam 20 above.
  • the 0.9 peak width W 3 of the long-axis relative light intensity profile of the line beam 20 is on the long axis (x-axis) of the focal plane 25 where the long-axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.9 or more. Defined as the length of.
  • the 1 / e 2 peak width W 4 of the long axis relative light intensity profile of the line beam 20 is the long axis (x) on the focal plane 25 where the long axis relative light intensity of the line beam 20 is 1 / e 2 or more.
  • Axis Defined as the length on.
  • the aspect ratio of the line beam 20 is defined at the focal plane 25.
  • the aspect ratio of the line beam 20 is the long-axis relative light intensity of the line beam 20 with respect to the 1 / e 2 peak width W 2 (see FIG. 17) of the short-axis relative light intensity profile of the line beam 20. Defined as the ratio W 4 / W 2 of the profile 1 / e 2 peak width W 4 (see FIG. 18).
  • the aspect ratio of the laser beam 6 is also defined in the same manner as the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20. For example, when the laser beam 6 is circular, the aspect ratio of the laser beam 6 is 1.0.
  • the cross-sectional shape of the laser beam 6 is circular
  • the light intensity distribution in the cross section of the laser beam 6 is a Gaussian distribution
  • the laser beam 6 has a wavelength ⁇
  • the primary light 21 Is a + 1st-order diffracted beam
  • the second-order light 22 is a -1st-order diffracted beam.
  • the 1 / e 2 beam diameter of the laser beam 6 is defined as ⁇ .
  • the 1 / e 2 beam diameter of the laser beam 6 is the diameter of the laser beam 6 having a relative light intensity of 1 / e 2 in the cross section of the laser beam 6.
  • the relative light intensity in the cross section of the laser beam 6 is the light intensity of the laser beam 6 in the cross section of the laser beam 6 and the maximum light intensity of the laser beam 6 in the cross section of the laser beam 6 (the laser beam 6 at the center of the cross section of the laser beam 6). Is given by dividing by the light intensity of).
  • the second refractive power P-1 of the second phase pattern 15 with respect to the beam is given by the following equation (1).
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 can be set to 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20. (See FIG. 19).
  • the light intensity in the irradiation region of the line beam 20 becomes more uniform. Processing variation of the work 30 in the irradiation region of the line beam 20 can be reduced.
  • the depth of focus of the diffractive optical device 10 of the present embodiment is that of the diffractive optical device of the comparative example (see FIGS. 9 to 12) that does not include the second phase pattern 15. It is 1.5 times or more the depth of focus (see FIG. 19). Even using a diffractive optical device 10 is focused more strongly in the short axis direction of the laser beam 6 a line beam 20 (y-axis direction), the focal depth D z of the line beam 20 can be further increased.
  • the diffractive optical device 10 of the present embodiment can obtain a short axis relative light intensity profile of the line beam 20 having a flat top shape.
  • the light intensity in the irradiation region of the line beam 20 becomes more uniform. Processing variation of the work 30 in the irradiation region of the line beam 20 can be reduced.
  • the width d of the central phase pattern 15a is given by the following equation (5).
  • Examples 1 to 11 which are specific examples of this embodiment will be described with reference to Comparative Examples.
  • the cross-sectional shape of the laser beam 6 is circular, the aspect ratio of the laser beam 6 is 1.000, and the 1 / e 2 beam diameter ⁇ of the laser beam 6 is 3. It is 0.0 mm.
  • the light intensity distribution in the cross section of the laser beam 6 is a Gaussian distribution.
  • the wavelength ⁇ of the laser beam 6 is 1070 nm.
  • the focal length f of the diffractive optical device 10, which is the distance between the diffractive optical device 10 and the focal plane 25 in the optical axis direction (z-axis direction), is 250 mm. 18, FIG. 24, FIG. 34, FIG. 44, FIG.
  • the 0.9 peak width W 3 of the intensity profile is 1.00 mm
  • the 1 / e 2 peak width W 4 of the long axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 1.35 mm.
  • the diffractive optical element of the comparative example includes only the phase pattern shown in FIGS. 9 to 12. That is, the phase pattern of the comparative example is composed of only the first phase pattern 14 of the first embodiment, and does not include the second phase pattern 15 of the first embodiment shown in FIG. Therefore, in the diffractive optical element of the comparative example, the width d of the central phase pattern 15a is regarded as infinity. Since the diffractive optical element of the comparative example does not generate the primary light 21 (for example, the + 1st order diffractive beam) and the secondary light 22 (for example, the -1st order diffractive beam), the coefficient C is regarded as zero.
  • the diffractive optical element of the comparative example provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 20 and 21.
  • the depth of focus D z of the line beam 20 is 33.0 mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.026 mm, and the 1 / e 2 peak of the short axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.114 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 11.84.
  • the ratio W 1 / W 2 is 0.228, which is less than 0.400. Therefore, the relative light intensity in the short axis direction of the line beam 20 does not have a profile flat top shape.
  • the diffractive optical element 12 of the first embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 5 to 8.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 13 are superimposed.
  • the central phase pattern 15a of the second phase pattern 15 gives the laser beam 6 a first optical phase of ⁇ .
  • the peripheral phase pattern 15b of the second phase pattern 15 gives the laser beam 6 a zero second optical phase. Since the diffractive optical element 12 of this embodiment includes the second phase pattern 15, a + 1st-order diffractive beam as the primary light 21 and a -1st-order diffractive beam as the secondary light 22 are generated.
  • the width d of the central phase pattern 15a is 3.22 mm
  • the coefficient C is 1.74.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 14 and 15.
  • the focal depth D z of the line beam 20 is 60.4Mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.075 mm, and the 1 / e 2 peak of the short axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.163 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 8.28.
  • the ratio W 1 / W 2 is 0.460, which is 0.400 or more.
  • the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.9 or more between the third position P 3 and the fourth position P 4 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20. Therefore, the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 has a flat top shape.
  • the diffractive optical element 12 of the second embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 25 to 28.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 29 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 5.07 mm.
  • the coefficient C is 0.70.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 30 and 31.
  • the focal depth D z of the line beam 20 is 34.2 mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.029 mm, and the 1 / e 2 peak of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.119 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 11.34.
  • the ratio W 1 / W 2 is 0.244, which is less than 0.400. Therefore, the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 does not have a flat top shape.
  • the diffractive optical element 12 of the third embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 35 to 38.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 39 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 4.24 mm.
  • the coefficient C is 1.00.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 40 and 41.
  • the depth of focus D z of the line beam 20 is 40.6 mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.035 mm, and the 1 / e 2 peak of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.130 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 10.38.
  • the ratio W 1 / W 2 is 0.269, which is less than 0.400. Therefore, the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 does not have a flat top shape.
  • the diffractive optical element 12 of the fourth embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 45 to 48.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 49 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 3.72 mm.
  • the coefficient C is 1.30.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 50 and 51.
  • the depth of focus D z of the line beam 20 is 48.4 mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.045 mm, and the 1 / e 2 peak of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.143 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 9.44.
  • the ratio W 1 / W 2 is 0.315, which is less than 0.400. Therefore, the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 does not have a flat top shape.
  • the diffractive optical element 12 of the fifth embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 55 to 58.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 59 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 3.59 mm.
  • the coefficient C is 1.40.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 60 and 61.
  • the depth of focus D z of the line beam 20 is 51.4 mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.051 mm, and the 1 / e 2 peak of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.148 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 9.12.
  • the ratio W 1 / W 2 is 0.345, which is less than 0.400. Therefore, the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 does not have a flat top shape.
  • the diffractive optical element 12 of the sixth embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 65 to 68.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 69 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 3.46 mm.
  • the coefficient C is 1.50.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 70 and 71.
  • the focal depth D z of the line beam 20 is 54.1Mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.057 mm, and the 1 / e 2 peak of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.153 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 8.82.
  • the ratio W 1 / W 2 is 0.373, which is less than 0.400. Therefore, the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 does not have a flat top shape.
  • the diffractive optical element 12 of the seventh embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 75 to 78.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 79 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 3.35 mm.
  • the coefficient C is 1.60.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 80 and 81.
  • the depth of focus D z of the line beam 20 is 56.4 mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.063 mm, and the 1 / e 2 peak of the short axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.157 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 8.60.
  • the ratio W 1 / W 2 is 0.401, which is 0.400 or more.
  • the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.9 or more between the third position P 3 and the fourth position P 4 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20. Therefore, the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 has a flat top shape.
  • the diffractive optical element 12 of the eighth embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 85 to 88.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 89 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 2.93 mm.
  • the coefficient C is 2.10.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 90 and 91.
  • the depth of focus D z of the line beam 20 is 71.3 mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.098 mm, and the 1 / e 2 peak of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.179 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 7.54.
  • the ratio W 1 / W 2 is 0.547, which is 0.400 or more.
  • the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.9 or more between the third position P 3 and the fourth position P 4 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20. Therefore, the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 has a flat top shape.
  • the diffractive optical element 12 of the ninth embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 95 to 98.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 99 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 2.86 mm.
  • the coefficient C is 2.20.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 100 and 101.
  • the focal depth D z of the line beam 20 is 73.4Mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the short axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.091 mm, and the 1 / e 2 peak of the short axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.182 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 7.42.
  • the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 includes the optical axis relative of the line beam 20 between the third position P 3 and the fourth position P 4 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20. There is a part where the light intensity is less than 0.9.
  • the diffractive optical element 12 of the tenth embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 105 to 108.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 109 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 2.64 mm.
  • the coefficient C is 2.60.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 110 and 111.
  • the focal depth D z of the line beam 20 is 85.0Mm.
  • the optical axis relative light intensity of the line beam 20 is 0.5 or more between the first position P 1 and the second position P 2 of the optical axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the 0.9 peak width W 1 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.065 mm, and the 1 / e 2 peak of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.195 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 6.92.
  • the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 includes the optical axis relative of the line beam 20 between the third position P 3 and the fourth position P 4 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20. There is a part where the light intensity is less than 0.9.
  • the diffractive optical element 12 of the eleventh embodiment includes the phase pattern 13 shown in FIGS. 115 to 118.
  • the phase pattern 13 of this embodiment is a phase pattern in which the first phase pattern 14 shown in FIGS. 9 to 12 and the second phase pattern 15 shown in FIG. 119 are superimposed.
  • the second phase pattern 15 of the present embodiment is the same as the second phase pattern 15 of the first embodiment, but the width d of the central phase pattern 15a of the present embodiment is 2.58 mm.
  • the coefficient C is 2.70.
  • the diffractive optical element 12 of this embodiment provides a line beam 20 having the defocus profile shown in FIGS. 120 and 121.
  • the focal depth D z of the line beam 20 is 85.7Mm.
  • the 0.9 peak width W 1 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 is 0.061 mm, and the 1 / e 2 peak of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20.
  • the width W 2 is 0.198 mm.
  • the aspect ratio W 4 / W 2 of the line beam 20 is 6.82.
  • the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20 includes the optical axis relative of the line beam 20 between the third position P 3 and the fourth position P 4 of the minor axis relative light intensity profile of the line beam 20. There is a part where the light intensity is less than 0.9.
  • Table 1 shows the numerical values of the parameters of Examples 1 to 5 and Comparative Example.
  • Table 2 shows the numerical values of the parameters of Examples 6 to 11.
  • the first phase pattern 14 and the second phase pattern 15 may be formed on the light incident surface 12a of the diffractive optical element 12. That is, the diffractive optical element 12 includes a phase pattern 13 (see FIGS. 5 to 8 and the like) on which the first phase pattern 14 and the second phase pattern 15 are superimposed, and the phase pattern 13 is the diffractive optical element 12. It may be formed on the light incident surface 12a.
  • the first phase pattern 14 is formed on the light incident surface 12a of the diffractive optical element 12, and the second phase pattern 15 is formed on the light emitting surface 12b of the diffractive optical element 12. May be done.
  • the first phase pattern 14 is formed on the light emitting surface 12b of the diffractive optical element 12, and the second phase pattern 15 is formed on the light incident surface 12a of the diffractive optical element 12. May be done.
  • the laser beam irradiation device 1b of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 125 and 126.
  • the laser beam irradiating device 1b of the present embodiment has the same configuration as the laser beam irradiating device 1 of the first embodiment, but is mainly different in the configuration of the diffractive optical device 10.
  • the diffractive optical device 10 of the present embodiment includes a first diffractive optical element (diffractive optical element 12) and a second diffractive optical element (diffractive optical element 17).
  • the diffractive optical element 12 and the diffractive optical element 17 are arranged along the optical axis 11 of the diffractive optical device 10.
  • the diffractive optical element 12 is arranged on the incident side of the laser beam 6 with respect to the diffractive optical element 17.
  • the first phase pattern 14 is formed on the diffractive optical element 12, and the second phase pattern 15 is formed on the diffractive optical element 17.
  • the first phase pattern 14 is formed on either the light incident surface 12a or the light emitting surface 12b of the diffractive optical element 12.
  • the second phase pattern 15 is formed on either the light incident surface 17a or the light emitting surface 17b of the diffractive optical element 17.
  • the first phase pattern 14 may be formed on the diffractive optical element 17, and the second phase pattern 15 may be formed on the diffractive optical element 12.
  • the first phase pattern 14 is formed on either the light incident surface 17a or the light emitting surface 17b of the diffractive optical element 17.
  • the second phase pattern 15 is formed on either the light incident surface 12a or the light emitting surface 12b of the diffractive optical element 12.
  • 1,1b laser beam irradiator 5 laser light source, 6 laser beam, 10 diffractive optical device, 11 optical axis, 12,17 diffractive optical element, 12a, 17a light incident surface, 12b, 17b light emission surface, 13 phase pattern, 14 1st phase pattern, 15 2nd phase pattern, 15a central phase pattern, 15b peripheral phase pattern, 20 line beam, 21 primary light, 22 secondary light, 23 1st focal plane, 24 2nd focal plane, 25 focal planes, 30 works.

Landscapes

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Abstract

回折光学装置は、少なくとも一つの回折光学素子を備える。回折光学素子は、回折光学素子に入射するレーザビームから、互いに異なる回折次数を有する第１次光と第２次光とを生成し、かつ、第１次光と第２次光とをレーザビームの光軸上において重ね合わせて、第１次光と第２次光とを互いに干渉させる。回折光学素子は、第１位相パターンと、第２位相パターンとを含む。第１位相パターンは、レーザビームをラインビームに変換する。第２位相パターンは、レーザビームをラインビームの短軸方向に回折して、第１次光と第２次光とを生成する。レーザビームの光軸上において、第１次光の第１焦点面は、第２次光の第２焦点面とは異なる位置にある。

Description

回折光学装置
　本開示は、回折光学装置に関する。
　特開２０１２－１３１６８１号公報（特許文献１）は、円形のレーザビームをラインビームに変換する回折光学素子（ＤＯＥ）を開示している。ラインビームを用いてワークを加工している。
特開２０１２－１３１６８１号公報
　本開示の回折光学装置は、少なくとも一つの回折光学素子を備える。少なくとも一つの回折光学素子は、少なくとも一つの回折光学素子に入射するレーザビームから、互いに異なる回折次数を有する第１次光と第２次光とを生成し、かつ、第１次光と第２次光とをレーザビームの光軸上において重ね合わせて、第１次光と第２次光とを互いに干渉させる。少なくとも一つの回折光学素子は、第１位相パターンと、第２位相パターンとを含む。第１位相パターンは、レーザビームをラインビームに変換する。第２位相パターンは、レーザビームをラインビームの短軸方向に回折して、第１次光と第２次光とを生成する。レーザビームの光軸上において、第１次光の第１焦点面は、第２次光の第２焦点面とは異なる位置にある。
図１は、実施形態１のレーザビーム照射装置の概略側面図である。 図２は、実施形態１のレーザビーム照射装置の概略平面図である。 図３Ａは、実施形態１の回折光学装置に入射するレーザビームの断面形状を示す図である。 図３Ｂは、実施形態１のラインビームの断面形状を示す図である。 図４は、実施形態１の回折光学装置から出射する第１次光と第２次光との間の干渉を説明する図である。 図５は、実施例１の位相パターンを示す図である。 図６は、実施例１の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向（ラインビームの長軸方向）の位相パターンを示す図である。 図７は、実施例１の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向（ラインビームの短軸方向）の位相パターンを示す図である。 図８は、実施例１の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図９は、実施例１から実施例１１の第１位相パターン及び比較例の位相パターンを示す図である。 図１０は、実施例１から実施例１１の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の第１位相パターン、及び、比較例の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図１１は、実施例１から実施例１１の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の第１位相パターン、及び、比較例の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図１２は、実施例１から実施例１１の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の第１位相パターン、及び、比較例の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図１３は、実施例１の第２位相パターンを示す図である。 図１４は、実施例１の回折光学装置の、ｙｚ面（ラインビームの短軸方向と光軸方向とによって規定される平面）におけるデフォーカス特性を示す図である。 図１５は、実施例１の回折光学装置の、ｘｚ面（ラインビームの長軸方向と光軸方向とによって規定される平面）におけるデフォーカス特性を示す図である。 図１６は、実施例１のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１７は、実施例１のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１８は、実施例１のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１９は、係数Ｃに対する焦点深度の変化と、係数Ｃに対するｚ＝０における光軸上の相対光強度の変化とを示す図である。 図２０は、比較例の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図２１は、比較例の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図２２は、比較例のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図２３は、比較例のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図２４は、比較例のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図２５は、実施例２の位相パターンを示す図である。 図２６は、実施例２の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図２７は、実施例２の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図２８は、実施例２の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図２９は、実施例２の第２位相パターンを示す図である。 図３０は、実施例２の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図３１は、実施例２の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図３２は、実施例２のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図３３は、実施例２のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図３４は、実施例２のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図３５は、実施例３の位相パターンを示す図である。 図３６は、実施例３の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図３７は、実施例３の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図３８は、実施例３の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図３９は、実施例３の第２位相パターンを示す図である。 図４０は、実施例３の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図４１は、実施例３の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図４２は、実施例３のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図４３は、実施例３のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図４４は、実施例３のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図４５は、実施例４の位相パターンを示す図である。 図４６は、実施例４の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図４７は、実施例４の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図４８は、実施例４の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図４９は、実施例４の第２位相パターンを示す図である。 図５０は、実施例４の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図５１は、実施例４の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図５２は、実施例４のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図５３は、実施例４のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図５４は、実施例４のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図５５は、実施例５の位相パターンを示す図である。 図５６は、実施例５の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図５７は、実施例５の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図５８は、実施例５の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図５９は、実施例５の第２位相パターンを示す図である。 図６０は、実施例５の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図６１は、実施例５の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図６２は、実施例５のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図６３は、実施例５のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図６４は、実施例５のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図６５は、実施例６の位相パターンを示す図である。 図６６は、実施例６の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図６７は、実施例６の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図６８は、実施例６の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図６９は、実施例６の第２位相パターンを示す図である。 図７０は、実施例６の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図７１は、実施例６の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図７２は、実施例６のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図７３は、実施例６のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図７４は、実施例６のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図７５は、実施例７の位相パターンを示す図である。 図７６は、実施例７の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図７７は、実施例７の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図７８は、実施例７の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図７９は、実施例７の第２位相パターンを示す図である。 図８０は、実施例７の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図８１は、実施例７の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図８２は、実施例７のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図８３は、実施例７のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図８４は、実施例７のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図８５は、実施例８の位相パターンを示す図である。 図８６は、実施例８の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図８７は、実施例８の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図８８は、実施例８の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図８９は、実施例８の第２位相パターンを示す図である。 図９０は、実施例８の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図９１は、実施例８の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図９２は、実施例８のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図９３は、実施例８のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図９４は、実施例８のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図９５は、実施例９の位相パターンを示す図である。 図９６は、実施例９の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図９７は、実施例９の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図９８は、実施例９の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図９９は、実施例９の第２位相パターンを示す図である。 図１００は、実施例９の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図１０１は、実施例９の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図１０２は、実施例９のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１０３は、実施例９のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１０４は、実施例９のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１０５は、実施例１０の位相パターンを示す図である。 図１０６は、実施例１０の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図１０７は、実施例１０の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図１０８は、実施例１０の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図１０９は、実施例１０の第２位相パターンを示す図である。 図１１０は、実施例１０の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図１１１は、実施例１０の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図１１２は、実施例１０のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１１３は、実施例１０のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１１４は、実施例１０のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１１５は、実施例１１の位相パターンを示す図である。 図１１６は、実施例１１の、ｙ＝０．０ｍｍにおけるｘ軸方向の位相パターンを示す図である。 図１１７は、実施例１１の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンを示す図である。 図１１８は、実施例１１の、ｘ＝０．０ｍｍにおけるｙ軸方向の位相パターンの部分拡大図である。 図１１９は、実施例１１の第２位相パターンを示す図である。 図１２０は、実施例１１の回折光学装置の、ｙｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図１２１は、実施例１１の回折光学装置の、ｘｚ面におけるデフォーカス特性を示す図である。 図１２２は、実施例１１のラインビームの光軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１２３は、実施例１１のラインビームの短軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１２４は、実施例１１のラインビームの長軸方向相対光強度プロファイルを示す図である。 図１２５は、実施形態２のレーザビーム照射装置の概略側面図である。 図１２６は、実施形態２のレーザビーム照射装置の概略平面図である。
［本開示が解決しようとする課題］
　ラインビームを得るために、回折光学素子は、ラインビームの長軸方向よりもラインビームの短軸方向において、レーザビームをより強く集束させる。回折光学素子の焦点面からずれると、ラインビームは、ラインビームの短軸方向において、急激に発散する。そのため、ラインビームの焦点深度は短い。焦点深度が短いラインビームを用いてワークを加工すると、回折光学素子とワークとの間の距離がわずかに変化しただけで、ワークの加工特性が大きく変動する。本開示の目的は、より長い焦点深度を有するラインビームを得ることができる回折光学装置を提供することである。
［本開示の効果］
　本開示の回折光学装置によれば、より長い焦点深度を有するラインビームを得ることができる。
［本開示の実施形態の概要］
　最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
　（１）本開示に係る回折光学装置は、少なくとも一つの回折光学素子を備える。少なくとも一つの回折光学素子は、少なくとも一つの回折光学素子に入射するレーザビームから、互いに異なる回折次数を有する第１次光と第２次光とを生成し、かつ、第１次光と第２次光とをレーザビームの光軸上において重ね合わせて、第１次光と第２次光とを互いに干渉させる。少なくとも一つの回折光学素子は、第１位相パターンと、第２位相パターンとを含む。第１位相パターンは、レーザビームをラインビームに変換する。第２位相パターンは、レーザビームをラインビームの短軸方向に回折して、第１次光と第２次光とを生成する。レーザビームの光軸上において、第１次光の第１焦点面は、第２次光の第２焦点面とは異なる位置にある。
　そのため、より長い焦点深度を有するラインビームを得ることができる。
　（２）上記（１）に係る回折光学装置によれば、第２位相パターンは、中央位相パターンと、ラインビームの短軸方向において中央位相パターンの両側に配置されている周辺位相パターンとを含む。中央位相パターンは、レーザビームに第１光学位相を与える。周辺位相パターンは、レーザビームに第１光学位相とは異なる第２光学位相を与える。第１光学位相と第２光学位相との間の差はπである。
　そのため、より長い焦点深度を有するラインビームを得ることができる。
　（３）上記（２）に係る回折光学装置によれば、中央位相パターンは、ラインビームの長軸方向において一様である。周辺位相パターンは、ラインビームの長軸方向において一様である。
　第２位相パターンは、焦点深度の問題が生じないラインビームの長軸方向に回折光を生成しない。そのため、ラインビームの長軸方向に影響を与えることなく、より長い焦点深度を有するラインビームを得ることができる。
　（４）上記（１）から（３）のいずれかに係る回折光学装置によれば、第１次光は、＋１次回折ビームである。第２次光は、－１次回折ビームである。レーザビームの波長をλ、レーザビームの１／ｅ2ビーム直径をω、ラインビームの短軸方向における＋１次回折ビームに対する第２位相パターンの第１屈折力をＰ+1、ラインビームの短軸方向における－１次回折ビームに対する第２位相パターンの第２屈折力をＰ-1とすると、Ｐ+1とＰ-1とは、以下の式（１）で与えられる。係数Ｃは以下の式（２）を満たしている。
　　Ｐ+1＝－Ｐ-1＝λＣ／ω2　　・・・（１）
　　０．０＜Ｃ≦２．６　　・・・（２）
　そのため、光軸方向において、ラインビームの光強度分布がより均一になる。
　（５）上記（４）に係る回折光学装置によれば、係数Ｃは、以下の式（３）を満たしている。
　　１．４≦Ｃ≦２．６　　・・・（３）
　そのため、より長い焦点深度を有するラインビームを得ることができる。
　（６）上記（４）または（５）に係る回折光学装置によれば、係数Ｃは、以下の式（４）を満たしている。
　　１．６≦Ｃ≦２．１　　・・・（４）
　そのため、ラインビームの短軸方向において、ラインビームの光強度分布がより均一になる。
　（７）上記（１）から（６）のいずれかに係る回折光学装置によれば、少なくとも一つの回折光学素子は、光入射面と光出射面とを含む一つの回折光学素子である。第１位相パターンは、光入射面または光出射面のいずれかに形成されている。第２位相パターンは、光入射面または光出射面のいずれかに形成されている。
　そのため、回折光学装置が小型化され得る。回折光学装置の位置合わせが容易になる。ラインビームの断面形状の乱れが低減され得る。
　（８）上記（７）に係る回折光学装置によれば、一つの回折光学素子は、第１位相パターンと第２位相パターンとが重畳されている位相パターンを含む。位相パターンは、光入射面または光出射面の一方に形成されている。
　そのため、第１位相パターンと第２位相パターンとは、より正確に互いに位置合わせされ得る。ラインビームの断面形状の乱れが低減され得る。
　（９）上記（１）から（６）のいずれかに係る回折光学装置によれば、少なくとも一つの回折光学素子は、光軸に沿って配置されている第１回折光学素子と第２回折光学素子とである。第１位相パターンは、第１回折光学素子に形成されている。第２位相パターンは、第２回折光学素子に形成されている。
　そのため、より長い焦点深度を有するラインビームを得ることができる。
　（１０）上記（２）または（３）に係る回折光学装置によれば、少なくとも一つの回折光学素子は、光入射面と光出射面とを含む一つの回折光学素子である。一つの回折光学素子は、第１位相パターンと第２位相パターンとが重畳されている位相パターンを含む。位相パターンは、光入射面または光出射面の一方に形成されている。第１次光は、＋１次回折ビームである。第２次光は、－１次回折ビームである。レーザビームの波長をλ、レーザビームの１／ｅ2ビーム直径をω、ラインビームの短軸方向における＋１次回折ビームに対する第２位相パターンの第１屈折力をＰ+1、ラインビームの短軸方向における－１次回折ビームに対する第２位相パターンの第２屈折力をＰ-1とすると、Ｐ+1とＰ-1とは、以下の式（５）で与えられる。係数Ｃは、以下の式（６）を満たしている。
　　Ｐ+1＝－Ｐ-1＝λＣ／ω2　　・・・（５）
　　１．６≦Ｃ≦２．１　　・・・（６）
　そのため、より長い焦点深度を有するラインビームを得ることができる。ラインビームの長軸方向に影響を与えることなく、ラインビームの短軸方向において、ラインビームの光強度分布がより均一になる。第１位相パターンと第２位相パターンとは、より正確に互いに位置合わせされ得る。
　［本開示の実施形態の詳細］
　図面に基づいて、実施形態の詳細を以下説明する。なお、図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。以下に記載する実施形態の少なくとも一部の構成を任意に組み合わせてもよい。
　（実施形態１）
　図１から図１８を参照して、実施形態１のレーザビーム照射装置１を説明する。図１及び図２に示されるように、レーザビーム照射装置１は、例えば、ワーク３０にラインビーム２０を照射する装置である。ワーク３０は、例えば、ラインビーム２０を用いて加工される。ワーク３０は、例えば、半導体ウエハ、ガラス基板または基板上に形成されている薄膜などである。レーザビーム照射装置１は、レーザ光源５と、回折光学装置１０とを備える。
　レーザ光源５は、例えば、ファイバーレーザ、半導体レーザ、ＹＡＧレーザのような固体レーザ、または、炭酸ガスレーザのようなガスレーザである。レーザ光源５から出射されたレーザビーム６は、回折光学装置１０に入射される。図３Ａに示されるように、レーザビーム６の断面形状は、例えば、円形である。また、レーザビーム６の断面におけるレーザビーム６の光強度分布は、例えば、ガウス分布である。本明細書において、光ビーム（例えば、レーザビーム６またはラインビーム２０）の断面は、光ビームの光軸（レーザビーム６の光軸１１、回折光学装置１０の光軸１１）に垂直な断面を意味する。光ビーム（例えば、レーザビーム６またはラインビーム２０）の断面形状は、光ビームの光軸（例えば、レーザビーム６の光軸１１、回折光学装置１０の光軸１１）に垂直な断面における、光ビームの形状を意味する。本明細書では、光軸１１に沿う方向をｚ軸方向と呼ぶ。
　回折光学装置１０は、レーザビーム６（図３Ａを参照）を、レーザビーム６より細長いラインビーム２０（図３Ｂを参照）に変換することができる。すなわち、回折光学装置１０は、レーザビーム６を、レーザビーム６のアスペクト比より大きなアスペクト比を有するラインビーム２０に変換することができる。ビームのアスペクト比は、ビームの細長さの程度を表す。本明細書では、ラインビーム２０の長軸方向をｘ軸方向と呼び、ラインビーム２０の短軸方向をｙ軸方向と呼ぶ。さらに、回折光学装置１０は、ラインビーム２０の焦点深度を長くすることができる。
　図１及び図２に示されるように、回折光学装置１０は、少なくとも一つの回折光学素子（回折光学素子１２）を備える。少なくとも一つの回折光学素子は、ガラスまたは透明樹脂のような、レーザビーム６に対して透明な光学材料で形成されている。
　少なくとも一つの回折光学素子（回折光学素子１２）は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と、図１３に示される第２位相パターン１５とを含む。一般に、位相パターンは、位相パターンが形成されている回折光学素子の局所的な厚さに応じた位相を、位相パターンを通る光ビームに付与する。位相パターンは、光ビームの波面を変化させて、例えば、光ビームを集束または回折させる。第１位相パターン１４と第２位相パターン１５とは、例えば、フォトリソグラフィー工程を用いて、レーザビーム６に対して透明な板の表面をパターニングすることによって形成される。
　本実施形態では、少なくとも一つの回折光学素子は、光入射面１２ａと光出射面１２ｂとを含む一つの回折光学素子１２である。第１位相パターン１４及び第２位相パターン１５は、回折光学素子１２の光出射面１２ｂに形成されている。すなわち、図５から図８に示されるように、回折光学素子１２は、第１位相パターン１４と第２位相パターン１５とが重畳されている位相パターン１３を含み、位相パターン１３は回折光学素子１２の光出射面１２ｂに形成されている。
　図４に示されるように、少なくとも一つの回折光学素子（回折光学素子１２）は、少なくとも一つの回折光学素子（回折光学素子１２）に入射するレーザビーム６から、互いに異なる回折次数を有する第１次光２１と第２次光２２とを生成し、かつ、第１次光２１と第２次光２２とをレーザビーム６の光軸１１上において重ね合わせて、第１次光２１と第２次光２２とを互いに干渉させる。レーザビーム６の光軸１１上において、第１次光２１の第１焦点面２３は、第２次光２２の第２焦点面２４とは異なる位置にある。
　第１位相パターン１４は、レーザビーム６を、レーザビーム６より細長いラインビーム２０（図３Ｂを参照）に変換する。第１位相パターン１４は、ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）において、レーザビーム６を集束させる。第１位相パターン１４は、ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）において、正の屈折力を有している。
　第２位相パターン１５は、レーザビーム６をラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）に回折して、第１次光２１と第２次光２２とを生成する。第１次光２１は、例えば、＋１次回折ビームである。第２次光２２は、例えば、－１次回折ビームである。
　具体的には、図１３に示されるように、第２位相パターン１５は、中央位相パターン１５ａと、周辺位相パターン１５ｂとを含む。周辺位相パターン１５ｂは、ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）において、中央位相パターン１５ａの両側に配置されている。中央位相パターン１５ａは、ｙ＝０を中心に、幅ｄにわたって延在している。中央位相パターン１５ａは、例えば、ｙ＝ｄ／２によって規定される第１線とｙ＝－ｄ／２によって規定される第２線との間に延在している。中央位相パターン１５ａは、第２位相パターン１５に入射するレーザビームに第１光学位相を与える。周辺位相パターン１５ｂは、第２位相パターン１５に入射するレーザビームに、第１光学位相とは異なる第２光学位相を与える。第１光学位相と第２光学位相との間の差は、例えば、πである。
　第２位相パターン１５は、ラインビーム２０の長軸方向（ｘ軸方向）において一様であってもよい。具体的には、中央位相パターン１５ａは、ラインビーム２０の長軸方向（ｘ軸方向）において一様であり、かつ、周辺位相パターン１５ｂは、ラインビーム２０の長軸方向（ｘ軸方向）において一様であってもよい。そのため、第２位相パターン１５は、レーザビーム６を、ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）においてのみ回折させてもよい。
　ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）における第１次光２１に対する第２位相パターン１５の第１屈折力は、ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）における第２次光２２に対する第２位相パターン１５の第２屈折力と異なっている。例えば、第１屈折力は、第２屈折力より大きくてもよい。そのため、レーザビーム６の光軸１１上において、第１次光２１の第１焦点面２３は、第２次光２２の第２焦点面２４とは異なる位置にある。
　例えば、第２位相パターン１５は、ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）において、第１次光２１（例えば、＋１次回折ビーム）に対して正の屈折力を有している。第２位相パターン１５は、ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）において、第２次光２２（例えば、－１次回折ビーム）に対して負の屈折力を有している。第１次光２１に対する第１位相パターン１４の正の屈折力と第２位相パターン１５の正の屈折力のために、第１次光２１の第１焦点面２３は、図４に示されるように、レーザビーム６の光軸１１上において、焦点面２５に対して、回折光学装置１０（または少なくとも一つの回折光学素子（回折光学素子１２））に近位する。これに対し、第２次光２２に対する第１位相パターン１４の正の屈折力と第２位相パターン１５の負の屈折力のために、第２次光２２の第２焦点面２４は、図４に示されるように、レーザビーム６の光軸１１上において、焦点面２５に対して、回折光学装置１０（または少なくとも一つの回折光学素子（回折光学素子１２））から遠位する。
　なお、本明細書において、焦点面２５は、光軸１１（ｚ軸）に垂直な面のうち、後述する比較例のように第１位相パターン１４のみによって形成されるラインビームの短軸方向（ｙ軸方向）長さが最小となる面として定義される。本明細書では、焦点面２５を、回折光学装置１０の焦点面２５と呼ぶことがある。図４に示されるように、回折光学装置１０の焦点面２５は、ｚ＝０で規定される面である。回折光学装置１０の焦点面２５は、例えば、ワーク３０の表面、または、ワーク３０の中に位置する。
　このように、第１次光２１の第１焦点面２３は、第２次光２２の第２焦点面２４とは異なる位置にある。そして、第１次光２１と第２次光２２とは、レーザビーム６の光軸１１（回折光学装置１０の光軸１１）上において、互いに重なり合って、互いに干渉し合う。そのため、ラインビーム２０の焦点深度を長くすることができる。
　例えば、図１６に示されるように、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzを長くすることができる。本明細書において、焦点深度Ｄzは、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度が０．５以上である、光軸１１（ｚ軸）上の長さとして定義される。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、光軸１１（ｚ軸）上のラインビーム２０の光強度を、光軸１１（ｚ軸）上のラインビーム２０の最大光強度で除算することによって与えられる。
　ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上であることが好ましい。本明細書において、光軸方向相対光強度プロファイルは、光軸（ｚ軸）上の光軸方向相対光強度の分布を意味する。そのため、ラインビーム２０の照射領域内の光強度が一層均一になる。ラインビーム２０の照射領域内におけるワーク３０の加工ばらつきが低減され得る。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルのうち、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度が０．５でありかつ回折光学装置１０（またはレーザ光源５）から最も遠位する光軸１１上の位置である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第２位置Ｐ2は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルのうち、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度が０．５でありかつ回折光学装置１０（またはレーザ光源５）に最も近位する光軸１１上の位置である。
　図１７に示されるように、回折光学装置１０の焦点面２５における、ラインビーム２０の短軸（ｙ軸）上のラインビーム２０の光強度ピークは、平坦化される。すなわち、回折光学装置１０の焦点面２５における、ラインビーム２０の短軸（ｙ軸）上のラインビーム２０の相対光強度プロファイル（以下、「ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイル」という。）は、フラットトップ形状を有する。そのため、ラインビーム２０の照射領域内の光強度がより均一になる。ラインビーム２０の照射領域内におけるワーク３０の加工ばらつきが低減され得る。
　本明細書において、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、焦点面２５におけるラインビーム２０の短軸（ｙ軸）上の短軸方向相対光強度の分布を意味する。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度は、焦点面２５におけるラインビーム２０の短軸（ｙ軸）上のラインビーム２０の光強度を、焦点面２５におけるラインビーム２０の短軸（ｙ軸）上のラインビーム２０の最大光強度で除算することによって与えられる。
　ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルがフラットトップ形状を有することは、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2（図１７を参照）に対するラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1（図１７を参照）の比Ｗ1／Ｗ2が０．４００以上であり、かつ、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの第３位置Ｐ3（図１７を参照）と第４位置Ｐ4（図１７を参照）との間にわたってラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルが０．９以上であることを意味する。
　ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度が０．９以上である、焦点面２５における短軸（ｙ軸）上の長さとして定義される。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度が１／ｅ2以上である、焦点面２５上における短軸（ｙ軸）上の長さとして定義される。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの第３位置Ｐ3は、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルのうち、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度が０．９でありかつ＋ｙ軸方向において光軸１１から最も遠位する位置である。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの第４位置Ｐ4は、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルのうち、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度が０．９でありかつ－ｙ軸方向において光軸１１から最も遠位する位置である。
　本実施の形態の回折光学装置１０は、回折限界に近い小さな短軸方向幅を有しかつフラットトップ形状を有するラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルを得るために必要なレーザビーム６の直径を小さくすることができる。そのため、回折光学装置１０を小型化することが可能になる。回折光学装置１０のコストが低減され得る。第１位相パターン１４及び第２位相パターン１５は、より高い精度で形成され得る。
　図１８に示されるように、回折光学装置１０の焦点面２５における、ラインビーム２０の長軸（ｘ軸）上のラインビーム２０の光強度ピークは、平坦化される。すなわち、回折光学装置１０の焦点面２５における、ラインビーム２０の長軸（ｘ軸）上のラインビーム２０の相対光強度プロファイル（以下、「ラインビーム２０の長軸方向相対光強度プロファイル」という。）は、フラットトップ形状を有する。例えば、ラインビーム２０の長軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ4に対するラインビーム２０の長軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ3の比Ｗ3／Ｗ4は、０．４００以上である。
　本明細書において、ラインビーム２０の長軸方向相対光強度プロファイルは、焦点面２５におけるラインビーム２０の長軸（ｘ軸）上の長軸方向相対光強度の分布を意味する。ラインビーム２０の長軸方向相対光強度は、焦点面２５におけるラインビーム２０の長軸（ｘ軸）上のラインビーム２０の光強度を、焦点面２５におけるラインビーム２０の長軸（ｘ軸）上のラインビーム２０の最大光強度で除算することによって与えられる。ラインビーム２０の長軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ3は、ラインビーム２０の長軸方向相対光強度が０．９以上である、焦点面２５における長軸（ｘ軸）上の長さとして定義される。ラインビーム２０の長軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ4は、ラインビーム２０の長軸方向相対光強度が１／ｅ2以上である、焦点面２５上における長軸（ｘ軸）上の長さとして定義される。
　ラインビーム２０のアスペクト比は、焦点面２５において定義される。具体的には、ラインビーム２０のアスペクト比は、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2（図１７を参照）に対するラインビーム２０の長軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ4（図１８を参照）の比Ｗ4／Ｗ2として定義される。レーザビーム６のアスペクト比も、ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2と同様に定義される。例えば、レーザビーム６が円形である場合、レーザビーム６のアスペクト比は、１．０である。
　本実施形態の一例では、レーザビーム６の断面形状が円形であり、レーザビーム６の断面における光強度分布がガウス分布であり、レーザビーム６が波長λを有しており、第１次光２１は＋１次回折ビームであり、第２次光２２は－１次回折ビームである。レーザビーム６の１／ｅ2ビーム直径をωと定義する。レーザビーム６の１／ｅ2ビーム直径は、レーザビーム６の断面における相対光強度が１／ｅ2となるレーザビーム６の直径である。レーザビーム６の断面における相対光強度は、レーザビーム６の断面におけるレーザビーム６の光強度を、レーザビーム６の断面におけるレーザビーム６の最大光強度（レーザビーム６の断面の中心におけるレーザビーム６の光強度）で除算することによって与えられる。
　ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）における＋１次回折ビームに対する第２位相パターン１５の第１屈折力Ｐ+1と、ラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）における－１次回折ビームに対する第２位相パターン１５の第２屈折力Ｐ-1とは、以下の式（１）で与えられる。
　　Ｐ+1＝－Ｐ-1＝λＣ／ω2　　・・・（１）
　係数Ｃは、以下の式（２）を満たしてもよい。そのため、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度を０．５以上とすることができる（図１９を参照）。ラインビーム２０の照射領域内の光強度がより均一になる。ラインビーム２０の照射領域内におけるワーク３０の加工ばらつきが低減され得る。
　　０．０＜Ｃ≦２．６　　・・・（２）
　係数Ｃは、以下の式（３）を満たしてもよい。そのため、本実施形態の回折光学装置１０（例えば、図５から図８を参照）の焦点深度は、第２位相パターン１５を含まない比較例の回折光学装置（図９から図１２を参照）の焦点深度の１．５倍以上となる（図１９を参照）。回折光学装置１０を用いてレーザビーム６をラインビーム２０の短軸方向（ｙ軸方向）においてより強く集束させても、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzを一層長くすることができる。
　　１．４≦Ｃ≦２．６　　・・・（３）
　係数Ｃは、以下の式（４）を満たしてもよい。そのため、本実施形態の回折光学装置１０は、フラットトップ形状を有するラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルを得ることができる。ラインビーム２０の照射領域内の光強度がより均一になる。ラインビーム２０の照射領域内におけるワーク３０の加工ばらつきが低減され得る。
　　１．６≦Ｃ≦２．１　　・・・（４）
　本実施形態の上記一例では、中央位相パターン１５ａの幅ｄは、以下の式（５）によって与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　＜実施例＞
　比較例と対比しながら、本実施形態の具体例である実施例１から実施例１１を説明する。実施例１から実施例１１及び比較例において、レーザビーム６の断面形状は円形であり、レーザビーム６のアスペクト比は１．０００であり、レーザビーム６の１／ｅ2ビーム直径ωは、３．０ｍｍである。レーザビーム６の断面における光強度分布は、ガウス分布である。レーザビーム６の波長λは、１０７０ｎｍである。光軸方向（ｚ軸方向）における回折光学装置１０と焦点面２５との間の距離である回折光学装置１０の焦点距離ｆは、２５０ｍｍである。図１８、図２４、図３４、図４４、図５４、図６４、図７４、図８４、図９４、図１０４、図１１４及び図１２４に示されるように、ラインビーム２０の長軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ3は１．００ｍｍであり、ラインビーム２０の長軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ4は１．３５ｍｍである。
　（比較例）
　比較例の回折光学素子は、図９から図１２に示される位相パターンのみを含む。すなわち、比較例の位相パターンは、実施例１の第１位相パターン１４のみで構成されており、図１３に示される実施例１の第２位相パターン１５を含んでいない。そのため、比較例の回折光学素子では、中央位相パターン１５ａの幅ｄを無限大とみなす。比較例の回折光学素子は、第１次光２１（例えば、＋１次回折ビーム）と第２次光２２（例えば、－１次回折ビーム）とを生成しないため、係数Ｃをゼロとみなす。
　比較例の回折光学素子によって、図２０及び図２１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図２２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、３３．０ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、１．０００である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図２３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０２６ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は０．１１４ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、１１．８４である。比Ｗ1／Ｗ2は０．２２８であって、０．４００未満である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度は、プロファイルフラットトップ形状を有していない。
　（実施例１）
　実施例１の回折光学素子１２は、図５から図８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図１３に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。第２位相パターン１５の中央位相パターン１５ａは、レーザビーム６にπの第１光学位相を与える。第２位相パターン１５の周辺位相パターン１５ｂは、レーザビーム６にゼロの第２光学位相を与える。本実施例の回折光学素子１２は第２位相パターン１５を含むため、第１次光２１としての＋１次回折ビームと、第２次光２２としての－１次回折ビームと生成する。本実施例では、中央位相パターン１５ａの幅ｄは３．２２ｍｍであり、係数Ｃは１．７４である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図１４及び図１５に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図１６を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、６０．４ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．７５８である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図１７を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０７５ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は０．１６３ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、８．２８である。比Ｗ1／Ｗ2は、０．４６０であって、０．４００以上である。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの第３位置Ｐ3と第４位置Ｐ4との間にわたって、０．９以上である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有している。
　（実施例２）
　実施例２の回折光学素子１２は、図２５から図２８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図２９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、５．０７ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは０．７０である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図３０及び図３１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図３２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、３４．２ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．９９９である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図３３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０２９ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は０．１１９ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、１１．３４である。比Ｗ1／Ｗ2は、０．２４４であって、０．４００未満である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有していない。
　（実施例３）
　実施例３の回折光学素子１２は、図３５から図３８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図３９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、４．２４ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは１．００である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図４０及び図４１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図４２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、４０．６ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．９７４である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図４３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０３５ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は０．１３０ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、１０．３８である。比Ｗ1／Ｗ2は、０．２６９であって、０．４００未満である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有していない。
　（実施例４）
　実施例４の回折光学素子１２は、図４５から図４８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図４９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、３．７２ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは１．３０である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図５０及び図５１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図５２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、４８．４ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．８９７である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図５３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０４５ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は、０．１４３ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、９．４４である。比Ｗ1／Ｗ2は、０．３１５であって、０．４００未満である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有していない。
　（実施例５）
　実施例５の回折光学素子１２は、図５５から図５８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図５９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、３．５９ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは１．４０である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図６０及び図６１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図６２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、５１．４ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．８６３である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図６３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０５１ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は０．１４８ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、９．１２である。比Ｗ1／Ｗ2は、０．３４５であって、０．４００未満である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有していない。
　（実施例６）
　実施例６の回折光学素子１２は、図６５から図６８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図６９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、３．４６ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは１．５０である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図７０及び図７１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図７２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、５４．１ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．８３１である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図７３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０５７ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は０．１５３ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、８．８２である。比Ｗ1／Ｗ2は０．３７３であって、０．４００未満である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有していない。
　（実施例７）
　実施例７の回折光学素子１２は、図７５から図７８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図７９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、３．３５ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは１．６０である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図８０及び図８１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図８２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、５６．４ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．８０４である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図８３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０６３ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は０．１５７ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、８．６０である。比Ｗ1／Ｗ2は、０．４０１であって、０．４００以上である。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの第３位置Ｐ3と第４位置Ｐ4との間にわたって、０．９以上である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有している。
　（実施例８）
　実施例８の回折光学素子１２は、図８５から図８８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図８９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、２．９３ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは２．１０である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図９０及び図９１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図９２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、７１．３ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．６４０である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図９３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０９８ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は０．１７９ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、７．５４である。比Ｗ1／Ｗ2は、０．５４７であって、０．４００以上である。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの第３位置Ｐ3と第４位置Ｐ4との間にわたって、０．９以上である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有している。
　（実施例９）
　実施例９の回折光学素子１２は、図９５から図９８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図９９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、２．８６ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは２．２０である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図１００及び図１０１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図１０２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、７３．４ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．６１９である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図１０３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０９１ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は、０．１８２ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、７．４２である。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルには、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの第３位置Ｐ3と第４位置Ｐ4との間に、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度が０．９未満となる部分がある。例えば、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルのうち光軸１１（ｙ＝０）におけるラインビーム２０の短軸方向相対光強度は、０．８９５である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有していない。
　（実施例１０）
　実施例１０の回折光学素子１２は、図１０５から図１０８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図１０９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、２．６４ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは２．６０である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図１１０及び図１１１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図１１２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、８５．０ｍｍである。焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．５１５である。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度は、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間にわたって、０．５以上である。
　図１１３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０６５ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は、０．１９５ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、６．９２である。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルには、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの第３位置Ｐ3と第４位置Ｐ4との間に、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度が０．９未満となる部分がある。例えば、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルのうち光軸１１（ｙ＝０）におけるラインビーム２０の短軸方向相対光強度は、０．７４８である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有していない。
　（実施例１１）
　実施例１１の回折光学素子１２は、図１１５から図１１８に示される位相パターン１３を含む。本実施例の位相パターン１３は、図９から図１２に示される第１位相パターン１４と図１１９に示される第２位相パターン１５とが重畳された位相パターンである。本実施例の第２位相パターン１５は、実施例１の第２位相パターン１５と同様であるが、本実施例の中央位相パターン１５ａの幅ｄは、２．５８ｍｍである。本実施例では、係数Ｃは２．７０である。
　本実施例の回折光学素子１２によって、図１２０及び図１２１に示されるデフォーカスプロファイルを有するラインビーム２０が得られる。図１２２を参照して、ラインビーム２０の焦点深度Ｄzは、８５．７ｍｍである。ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルには、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度プロファイルの第１位置Ｐ1と第２位置Ｐ2との間に、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度が０．５未満となる部分がある。例えば、焦点面２５（ｚ＝０）における光軸１１上の相対光強度は、０．４８７である。
　図１２３を参照して、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの０．９ピーク幅Ｗ1は０．０６１ｍｍであり、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの１／ｅ2ピーク幅Ｗ2は、０．１９８ｍｍである。ラインビーム２０のアスペクト比Ｗ4／Ｗ2は、６．８２である。ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルには、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルの第３位置Ｐ3と第４位置Ｐ4との間に、ラインビーム２０の光軸方向相対光強度が０．９未満となる部分がある。例えば、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルのうち光軸１１（ｙ＝０）におけるラインビーム２０の短軸方向相対光強度は、０．７０３である。そのため、ラインビーム２０の短軸方向相対光強度プロファイルは、フラットトップ形状を有していない。
　図１９に、実施例１から実施例１１及び比較例の、係数Ｃに対する焦点深度Ｄzの変化と、係数Ｃに対するｚ＝０における光軸上の相対光強度の変化とを示す。表１に、実施例１から実施例５及び比較例のパラメータの数値を示す。表２に、実施例６から実施例１１のパラメータの数値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　本実施形態の変形例を説明する。本実施形態の第１変形例では、第１位相パターン１４及び第２位相パターン１５は、回折光学素子１２の光入射面１２ａに形成されてもよい。すなわち、回折光学素子１２は、第１位相パターン１４と第２位相パターン１５とが重畳されている位相パターン１３（図５から図８などを参照）を含み、位相パターン１３は回折光学素子１２の光入射面１２ａに形成されてもよい。本実施形態の第２変形例では、第１位相パターン１４は、回折光学素子１２の光入射面１２ａに形成されており、第２位相パターン１５は、回折光学素子１２の光出射面１２ｂに形成されてもよい。本実施形態の第３変形例では、第１位相パターン１４は、回折光学素子１２の光出射面１２ｂに形成されており、第２位相パターン１５は、回折光学素子１２の光入射面１２ａに形成されてもよい。
　（実施形態２）
　図１２５及び図１２６を参照して、実施形態２のレーザビーム照射装置１ｂを説明する。本実施形態のレーザビーム照射装置１ｂは、実施形態１のレーザビーム照射装置１と同様の構成を備えているが、回折光学装置１０の構成の点で主に異なっている。
　本実施形態の回折光学装置１０は、第１回折光学素子（回折光学素子１２）と第２回折光学素子（回折光学素子１７）とを備えている。回折光学素子１２と回折光学素子１７とは、回折光学装置１０の光軸１１に沿って配置されている。回折光学素子１２は、回折光学素子１７よりも、レーザビーム６の入射側に配置されている。第１位相パターン１４は回折光学素子１２に形成されており、かつ、第２位相パターン１５は回折光学素子１７に形成されている。特定的には、第１位相パターン１４は、回折光学素子１２の光入射面１２ａまたは光出射面１２ｂのいずれかに形成されている。第２位相パターン１５は、回折光学素子１７の光入射面１７ａまたは光出射面１７ｂのいずれかに形成されている。
　本実施形態の変形例では、第１位相パターン１４は回折光学素子１７に形成されており、かつ、第２位相パターン１５は回折光学素子１２に形成されてもよい。特定的には、第１位相パターン１４は、回折光学素子１７の光入射面１７ａまたは光出射面１７ｂのいずれかに形成されている。第２位相パターン１５は、回折光学素子１２の光入射面１２ａまたは光出射面１２ｂのいずれかに形成されている。
　今回開示された実施形態１及び実施形態２並びにそれらの変形例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施形態１及び実施形態２並びにそれらの変形例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１，１ｂ　レーザビーム照射装置、５　レーザ光源、６　レーザビーム、１０　回折光学装置、１１　光軸、１２，１７　回折光学素子、１２ａ，１７ａ　光入射面、１２ｂ，１７ｂ　光出射面、１３　位相パターン、１４　第１位相パターン、１５　第２位相パターン、１５ａ　中央位相パターン、１５ｂ　周辺位相パターン、２０　ラインビーム、２１　第１次光、２２　第２次光、２３　第１焦点面、２４　第２焦点面、２５　焦点面、３０　ワーク。

Claims (10)

  1. 　少なくとも一つの回折光学素子を備える回折光学装置であって、
    　前記少なくとも一つの回折光学素子は、前記少なくとも一つの回折光学素子に入射するレーザビームから、互いに異なる回折次数を有する第１次光と第２次光とを生成し、かつ、前記第１次光と前記第２次光とを前記レーザビームの光軸上において重ね合わせて、前記第１次光と前記第２次光とを互いに干渉させ、
    　前記少なくとも一つの回折光学素子は、第１位相パターンと、第２位相パターンとを含み、
    　前記第１位相パターンは、前記レーザビームをラインビームに変換し、
    　前記第２位相パターンは、前記レーザビームを前記ラインビームの短軸方向に回折して、前記第１次光と前記第２次光とを生成し、
    　前記光軸上において、前記第１次光の第１焦点面は、前記第２次光の第２焦点面とは異なる位置にある、回折光学装置。
  2. 　前記第２位相パターンは、中央位相パターンと、前記短軸方向において前記中央位相パターンの両側に配置されている周辺位相パターンとを含み、
    　前記中央位相パターンは、前記レーザビームに第１光学位相を与え、
    　前記周辺位相パターンは、前記レーザビームに前記第１光学位相とは異なる第２光学位相を与え、
    　前記第１光学位相と前記第２光学位相との間の差はπである、請求項１に記載の回折光学装置。
  3. 　前記中央位相パターンは、前記ラインビームの長軸方向において一様であり、
    　前記周辺位相パターンは、前記長軸方向において一様である、請求項２に記載の回折光学装置。
  4. 　前記第１次光は、＋１次回折ビームであり、
    　前記第２次光は、－１次回折ビームであり、
    　前記レーザビームの波長をλ、前記レーザビームの１／ｅ2ビーム直径をω、前記短軸方向における前記＋１次回折ビームに対する前記第２位相パターンの第１屈折力をＰ+1、前記短軸方向における前記－１次回折ビームに対する前記第２位相パターンの第２屈折力をＰ-1とすると、前記Ｐ+1と前記Ｐ-1とは、以下の式（１）で与えられ、
    　係数Ｃは以下の式（２）を満たしている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回折光学装置。
    　　Ｐ+1＝－Ｐ-1＝λＣ／ω2　　・・・（１）
    　　０．０＜Ｃ≦２．６　　・・・（２）
  5. 　前記係数Ｃは、以下の式（３）を満たしている、請求項４に記載の回折光学装置。
    　　１．４≦Ｃ≦２．６　　・・・（３）
  6. 　前記係数Ｃは、以下の式（４）を満たしている、請求項４または請求項５に記載の回折光学装置。
    　　１．６≦Ｃ≦２．１　　・・・（４）
  7. 　前記少なくとも一つの回折光学素子は、光入射面と光出射面とを含む一つの回折光学素子であり、
    　前記第１位相パターンは、前記光入射面または前記光出射面のいずれかに形成されており、
    　前記第２位相パターンは、前記光入射面または前記光出射面のいずれかに形成されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の回折光学装置。
  8. 　前記一つの回折光学素子は、前記第１位相パターンと前記第２位相パターンとが重畳されている位相パターンを含み、
    　前記位相パターンは、前記光入射面または前記光出射面の一方に形成されている、請求項７に記載の回折光学装置。
  9. 　前記少なくとも一つの回折光学素子は、前記光軸に沿って配置されている第１回折光学素子と第２回折光学素子とであり、
    　前記第１位相パターンは、前記第１回折光学素子に形成されており、
    　前記第２位相パターンは、前記第２回折光学素子に形成されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の回折光学装置。
  10. 　前記少なくとも一つの回折光学素子は、光入射面と光出射面とを含む一つの回折光学素子であり、
    　前記一つの回折光学素子は、前記第１位相パターンと前記第２位相パターンとが重畳されている位相パターンを含み、
    　前記位相パターンは、前記光入射面または前記光出射面の一方に形成されており、
    　前記第１次光は、＋１次回折ビームであり、
    　前記第２次光は、－１次回折ビームであり、
    　前記レーザビームの波長をλ、前記レーザビームの１／ｅ2ビーム直径をω、前記短軸方向における前記＋１次回折ビームに対する前記第２位相パターンの第１屈折力をＰ+1、前記短軸方向における前記－１次回折ビームに対する前記第２位相パターンの第２屈折力をＰ-1とすると、前記Ｐ+1と前記Ｐ-1とは、以下の式（５）で与えられ、
    　係数Ｃは以下の式（６）を満たしている、請求項２または請求項３に記載の回折光学装置。
    　　Ｐ+1＝－Ｐ-1＝λＣ／ω2　　・・・（５）
    　　１．６≦Ｃ≦２．１　　・・・（６）
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