(57)【要約】【課題】レーザビームのパワー損失及び装置内の部品の熱損傷を防止すると共に、所望の断面形状を有するレーザビームをターゲットに効率よく照射可能にする。【解決手段】レーザビーム整形装置は、レーザビームの一部を偏向することによりレーザビームを所望の断面形状に整形された第１ビームと該第１ビーム以外の第２ビームとに分離する第１光学系と、第２ビームを第１ビームに対して同軸心状に合流させる第２光学系と、を備える。【選択図】図１
2020154087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームの一部を偏向することにより前記レーザビームを所望の断面形状に整形された第１ビームと該第１ビーム以外の第２ビームとに分離する第１光学系と、
前記第２ビームを前記第１ビームに対して同軸心状に合流させる第２光学系と、
を備える、レーザビーム整形装置。
【請求項２】
前記第２ビームは、前記レーザビームの外周部であり、
前記第１ビームは、前記レーザビームの前記外周部よりも内側に位置する中央部である、請求項１に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項３】
前記第２光学系は、前記第２ビームを、前記第１ビームに対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側へ向かうに従って縮径させることで、前記第１ビームに合流させる、請求項２に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項４】
前記第１光学系は、前記レーザビームの前記中央部を前記第１ビームとして通過させ、且つ、前記レーザビームの前記外周部を前記第２ビームとして反射する環状の反射面を有する下流側スクレイパーミラーを有し、
前記下流側スクレイパーミラーの前記反射面が、前記第１ビームの光軸に対して傾斜して配置されている、請求項２又は３に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項５】
前記第２光学系は、前記下流側スクレイパーミラーよりも上流側で、前記レーザビームを通過させ、且つ、前記下流側スクレイパーミラーで反射した前記第２ビームを前記第１ビームに合流させる環状の反射面を有する上流側スクレイパーミラーを有している、請求項４に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項６】
前記第１光学系よりも上流側を導光される前記レーザビームは、断面が円環状である円環レーザビームであり、
前記第２ビームは、前記円環レーザビームの外周部と、前記外周部よりも内側に位置する内周部であり、
前記第１ビームは、前記円環レーザビームの前記内周部と前記外周部との間に位置する中間周部であり、
前記第１光学系は、前記円環レーザビームの前記外周部を反射する第１ミラーと、前記円環レーザビームの前記内周部を反射する第２ミラーとを個別に有する、請求項１に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項７】
前記第１光学系よりも上流側を導光される前記レーザビームは、断面が円環状である円環レーザビームであり、
前記第１ビームは、前記円環レーザビームの外周部であり、
前記第２ビームは、前記円環レーザビームの前記外周部よりも内側に位置する内周部であり、
前記第２光学系は、前記第２ビームを、前記第１ビームに対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側へ向かうに従って縮径させることで、前記第１ビームに合流させる、請求項１に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項８】
前記第１光学系よりも上流側を導光される前記レーザビームは、断面が円環状である円環レーザビームである、請求項３に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項９】
前記第２光学系は、アキシコンレンズ及びアキシコンミラーの少なくともいずれかを有する、請求項６〜８のいずれか１項に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項１０】
前記第２光学系は、凸レンズ、凹レンズ、球面ミラー、及び放物面ミラーの少なくともいずれかを有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項１１】
前記第２光学系は、前記第１ビームと前記第２ビームとを分離させる分離位置と、前記第２ビームを前記第１ビームに合流させる合流位置との間で、前記第２ビームを複数回循環させる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザビーム整形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム整形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高出力のレーザビームを比較的遠方に位置するターゲットに照射する出射装置が知られている。このようなターゲットにレーザビームを適切に照射するためには、所望の断面形状を有するレーザビームを効率よく安定して照射することが求められる場合がある。
【０００３】
上記のようなレーザビームを得る方法として、例えば特許文献１に開示されるように、レーザビームの断面周縁を制限アパーチャ（スリット）によりカット（クリップ）することにより、レーザビームを整形する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２３３５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記方法では、レーザビームがカットされることでパワー損失が発生する。また、レーザビームが出射装置内の光学系以外の部品に当たることで、該部品が熱損傷するおそれがある。
【０００６】
そこで本発明は、レーザビームのパワー損失及び出射装置内の部品の熱損傷を防止すると共に、所望の断面形状を有するレーザビームをターゲットに効率よく照射可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るレーザビーム整形装置は、レーザビームの一部を偏向することにより前記レーザビームを所望の断面形状に整形された第１ビームと該第１ビーム以外の第２ビームとに分離する第１光学系と、前記第２ビームを前記第１ビームに対して同軸心状に合流させる第２光学系と、を備える。
【０００８】
上記構成によれば、第１光学系によりレーザビームを整形することで、所望の断面形状のレーザビームを得ることができる。また、第１光学系によりレーザビームの一部を偏向することでレーザビームを整形するので、レーザビームの整形に際して装置内の光学系以外の部品がレーザビームに当たるのを防止できるため、該部品が熱損傷するのを防止できる。これにより、装置を安定して駆動できる。
【０００９】
また、第１光学系により偏向されて第１ビームと分離された第２ビームが、第２光学系により第１ビームに対して同軸心状に合流される。このため、レーザビームを整形する際にパワー損失が生じるのを防止できる。よって、所望の断面形状を有するように整形されたレーザビームをターゲットに効率よく照射できる。
【００１０】
前記第２ビームは、前記レーザビームの外周部であり、前記第１ビームは、前記レーザビームの前記外周部よりも内側に位置する中央部であってもよい。
【００１１】
これにより、例えばレーザビームの強度分布が正規分布等である場合でも、パワー損失及び熱損傷を防止しつつ出射レーザビームのパワーを増大し易くできる。また、例えばレーザビームを出射する出射口径を増加させることにより、ターゲットの照射位置におけるレーザビームの強度及び集光強度を高めることができる。
【００１２】
前記第２光学系は、前記第２ビームを、前記第１ビームに対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側へ向かうに従って縮径させることで、前記第１ビームに合流させてもよい。これにより、ターゲットの照射位置におけるレーザビームの強度及び集光強度を更に高めることができる。
【００１３】
前記第１光学系は、前記レーザビームの前記中央部を前記第１ビームとして通過させ、且つ、前記レーザビームの前記外周部を前記第２ビームとして反射する環状の反射面を有する下流側スクレイパーミラーを有し、前記下流側スクレイパーミラーの前記反射面が、前記第１ビームの光軸に対して傾斜して配置されていてもよい。これにより、これにより、光学系の構造を簡素化しながら第１ビームと第２ビームとを比較的容易に分離できる。
【００１４】
前記第２光学系は、前記下流側スクレイパーミラーよりも上流側で、前記レーザビームを通過させ、且つ、前記下流側スクレイパーミラーで反射した前記第２ビームを前記第１ビームに合流させる環状の反射面を有する上流側スクレイパーミラーを有していてもよい。これにより、光学系の構造を簡素化しながらレーザビームの外周部を中央部に合流させ易くできる。
【００１５】
前記第１光学系よりも上流側を導光される前記レーザビームは、断面が円環状である円環レーザビームであり、前記第２ビームは、前記円環レーザビームの外周部と、前記外周部よりも内側に位置する内周部であり、前記第１ビームは、前記円環レーザビームの前記内周部と前記外周部との間に位置する中間周部であり、前記第１光学系は、前記円環レーザビームの前記外周部を反射する第１ミラーと、前記円環レーザビームの前記内周部を反射する第２ミラーとを個別に有していてもよい。
【００１６】
前記第１光学系よりも上流側を導光される前記レーザビームは、断面が円環状である円環レーザビームであり、前記第１ビームは、前記円環レーザビームの外周部であり、前記第２ビームは、前記円環レーザビームの前記外周部よりも内側に位置する内周部であり、前記第２光学系は、前記第２ビームを、前記第１ビームに対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側へ向かうに従って縮径させることで、前記第１ビームに合流させてもよい。
【００１７】
前記第１光学系よりも上流側を導光される前記レーザビームは、断面が円環状である円環レーザビームであってもよい。
【００１８】
前記第２光学系は、アキシコンレンズ及びアキシコンミラーの少なくともいずれかを有していてもよい。これにより、第２ビームが環状レーザビームである場合でも、第２ビームを第１ビームに良好に合流させることができる。
【００１９】
前記第２光学系は、凸レンズ、凹レンズ、球面ミラー、及び放物面ミラーの少なくともいずれかを有していてもよい。このように比較的汎用性の高い光学系部品を用いることで、比較的安価にレーザビーム整形装置を構成できる。
【００２０】
前記第２光学系は、前記第１ビームと前記第２ビームとを分離させる分離位置と、前記第２ビームを前記第１ビームに合流させる合流位置との間で、前記第２ビームを複数回循環させてもよい。
【００２１】
上記構成によれば、第２ビームを第１ビームに合流させる際、第１ビームの光軸に対する第２ビームの傾斜角度を緩やかにして、レーザビームの集光性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の各態様によれば、レーザビームのパワー損失及び出射装置内の部品の熱損傷を防止すると共に、所望の断面形状を有するレーザビームをターゲットに効率よく照射できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係るレーザビーム整形装置の概要図である。
【図２】図１の第１光学系の一部構成とその周辺の構成を示す図である。
【図３】図１の上流側スクレイパーミラーとその周辺の構成を示す図である。
【図４】図１の第２光学系の一部構成を示す図である。
【図５】図１のレーザビームの断面形状を示す図である。
【図６】図１のレーザビームの強度分布を示す図である。
【図７】第１実施形態の変形例に係る第２光学系の一部構成を示す図である。
【図８】第２実施形態に係るレーザビーム整形装置の概要図である。
【図９】図８のレーザビームの断面形状を示す図である。
【図１０】図８のレーザビームの強度分布を示す図である。
【図１１】第３実施形態に係るレーザビーム整形装置の概要図である。
【図１２】図１１のレーザビームの断面形状を示す図である。
【図１３】図１１の第２光学系の一部構成を示す図である。
【図１４】第３実施形態の変形例に係る第２光学系の一部構成を示す図である。
【図１５】第４実施形態に係るレーザビーム整形装置の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら各実施形態を説明する。以下の説明において、上流側とは、レーザビームの導光方向の上流側を指し、下流側とは、該導光方向の下流側を指す。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るレーザビーム整形装置１（以下、整形装置１とも称する。）の概要図である。図２は、図１の第１光学系２の一部構成とその周辺の構成を示す図である。図３は、図１の上流側スクレイパーミラー３４とその周辺の構成を示す図である。図４は、図１の第２光学系３の一部構成を示す図である。図５は、図１のレーザビームＬ１の断面形状を示す図である。
【００２６】
図１〜３に示すように、整形装置１は、レーザビーム発振装置１０から出力されたレーザビームＬ１を整形する。整形装置１は、第１光学系２と第２光学系３とを備える。第１光学系２と第２光学系３は、整形装置１内のレーザビームＬ１の光路上に配置されている。図５に示すように、レーザビームＬ１は、一例として断面周縁が円形状であり、中実に形成されている。
【００２７】
本実施形態のレーザビームＬ１は、外周部８０と、外周部８０よりも内側に位置する中央部８１を有する。外周部８０は、断面が円環状であり、中央部８１は、断面が円形である。外周部８０と中央部８１とは連続している。整形装置１では、レーザビームＬ１を所望の断面形状に整形するために、レーザビームＬ１から取り除く部分を外周部８０とし、残留させる部分を中央部８１とする。
【００２８】
第１光学系２は、レーザビームＬ１の一部を偏向することによりレーザビームＬ１を所望の断面形状に整形された第１ビームＢ１と第１ビームＢ１以外の第２ビームＢ２とに分離する。本実施形態の第１光学系２は、ガイドミラー２１，２２、下流側スクレイパーミラー２３、及びガイドミラー２４を有する。各ミラー２１〜２４は、レーザビームＬ１の導光方向に同順に離隔して配置されている。
【００２９】
ガイドミラー２１，２２，２４は、レーザビームＬ１を所定の光路に案内する。下流側スクレイパーミラー２３は、環状の反射面２３ａと貫通孔２３ｂとを有する。反射面２３ａは、レーザビームＬ１の外周部８０を第２ビームＢ２として反射する。反射面２３ａは、第１ビームＢ１（レーザビームＬ１）の光軸に対して傾斜して配置されている。即ち、本実施形態の第１光学系２は、レーザビームＬ１の一部を反射により偏向する。貫通孔２３ｂは、レーザビームＬ１の中央部８１を第１ビームＢ１として通過させる。
【００３０】
第１ビームＢ１は、下流側スクレイパーミラー２３の貫通孔２３ｂを通過する。第１ビームＢ１（レーザビームＬ１）の光軸に対する反射面２３ａの傾斜角度は、適宜設定可能である。
【００３１】
このように本実施形態では、第２ビームＢ２は、レーザビームＬ１の外周部８０であり、第１ビームＢ１は、レーザビームＬ１の中央部８１である。
【００３２】
第２光学系３は、第２ビームＢ２を第１ビームＢ１に対して同軸心状に合流させる。本実施形態の第２光学系３は、凸レンズ、凹レンズ、球面ミラー、及び放物面ミラーの少なくともいずれかを有する。一例として第２光学系３は、凸レンズ３１，３２、ガイドミラー３３、及び上流側スクレイパーミラー３４を有する。
【００３３】
凸レンズ３１，３２及びガイドミラー３３は、第１光学系２により偏向された第２ビームＢ２を所定の光路に案内する。図４に示すように、凸レンズ３１，３２は、レンズ間距離Ｄ１をおいて離隔して配置されている。凸レンズ３１の焦点距離Ｆ１と凸レンズ３２の焦点距離Ｆ２とは、共に０より大きい。ここではレンズ間距離Ｄ１を合計焦点距離（Ｆ１＋Ｆ２）よりも大きく設定することで、凸レンズ３１，３２は第２ビームＢ２を集束させるようにしている。なお、Ｄ１＝Ｆ１＋Ｆ２と設定して第２ビームを一旦平行にしたあと、上流側スクレイパーミラー３４を凹の放物面ミラーとして反射した第２ビームを集束させてもよい。上流側スクレイパーミラー３４は基本的には平面ミラーであるが、放物面ミラーであってもよい。上流側スクレイパーミラー３４が放物面ミラーである場合、上流側スクレイパーミラー３４に入射する平行な入射ビームが、集束する反射ビームに変換される。
【００３４】
本実施形態の第２光学系３は、凸レンズ３１，３２を有する拡大光学系を用いることで、第２ビームＢ２の断面形状（外径／内径比等の形状を含む）を保持したまま、第２ビームＢ２の外径を変化（拡大）可能に構成されている。なお、凸レンズ３１の代わりに焦点距離が０より小さい凹レンズを用いてもよい。
【００３５】
図１に示す上流側スクレイパーミラー３４は、環状の反射面３４ａと貫通孔３４ｂとを有する。反射面３４ａは、下流側スクレイパーミラー２３で反射した第２ビームＢ２を第１ビームＢ１に合流させる。貫通孔３４ｂは、下流側スクレイパーミラー２３よりも上流側で、レーザビームＬ１を通過させる。
【００３６】
なお、各ミラーを保持する保持部材は適宜選択可能である。レーザビームＬ１の光路を跨ぐように保持部材を配置する場合は、レーザビームＬ１の進行方向に垂直な保持部材の面の面積をなるべく低減するように調整する。
【００３７】
整形装置１の駆動時には、レーザビームＬ１の導光方向の上流側から下流側に向けて、レーザビームＬ１がガイドミラー２１により案内された後、上流側スクレイパーミラー３４の貫通孔３４ｂを通過し、ガイドミラー２２により下流側スクレイパーミラー２３に案内される。
【００３８】
下流側スクレイパーミラー２３において、レーザビームＬ１は、下流側スクレイパーミラー２３の貫通孔２３ｂを通過する第１ビームＢ１と、反射面２３ａで反射される第２ビームＢ２とに分離される。
【００３９】
第１ビームＢ１は、下流側スクレイパーミラー２３の貫通孔２３ｂを通過した後、ガイドミラー２４により案内され、出射レーザビームＬ２として出射光学系（ここでは出射装置４０）へ導入される。なお、図２の図面右端に示した断面は、出射レーザビームＬ２の模式的な円形断面を示す。
【００４０】
一方、図２に示すように、下流側スクレイパーミラー２３で反射された第２ビームＢ２は、凸レンズ３１，３２により導光された後、ガイドミラー３３で反射され、上流側スクレイパーミラー３４に案内される。このとき第２ビームＢ２は、凸レンズ３２により集束される。その後、図３に示すように、第２ビームＢ２は、上流側スクレイパーミラー３４の反射面３４ａで反射されて第１ビームＢ１と合流される。
【００４１】
この合流の際、第２光学系３は、第２ビームＢ２を、第１ビームＢ１に対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側へ向かうに従って縮径させることで、第１ビームＢ１に合流させる。第１ビームＢ１と第２ビームＢ２とが合流されることで、出射レーザビームＬ２が形成される。
【００４２】
ここで本実施形態では、レーザビームＬ１と第２ビームＢ２との反射面３４ａ上の合流位置では、第２ビームＢ２の内径は、上流側スクレイパーミラー３４の貫通孔３４ｂを通過したレーザビームＬ１の外径よりも十分大きい。一例として、該合流位置での第２ビームＢ２の内周は、上流側スクレイパーミラー３４を通過したレーザビームＬ１の外周から径方向に離隔している。この状態から第２ビームＢ２は、レーザビームＬ１と共に導光され、レーザビームＬ１の中央部８１である第１ビームＢ１の軸心へ向けて集束されながら第１ビームＢ１と合流される。
【００４３】
合流された第１ビームＢ１と第２ビームＢ２は、下流側スクレイパーミラー２３の貫通孔２３ｂを通過する際、その全部が一度に通過してもよいし、整形装置１内の光路を複数回にわたって循環しながら通過してもよい。本実施形態では、第２光学系３は、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２とを分離させる分離位置と、第２ビームＢ２を第１ビームＢ１に合流させる合流位置との間で、第２ビームＢ２を複数回循環させる。
【００４４】
図６は、図１のレーザビームＬ１の強度分布を示す図である。図６に示すように、本実施形態のレーザビームＬ１の強度分布は正規分布である。仮に、レーザビームＬ１の外周部８０を単に制限アパーチャによりカットしてレーザビームＬ１を整形した場合、該カット部分（図６のグラフ中に破線で示した部分）に対応するレーザビームＬ１のパワー損失が発生する。
【００４５】
これに対して整形装置１では、レーザビームＬ１の整形した際に生じるレーザビームＬ１のカット部分（第２ビームＢ２）を第１ビームＢ１に合流させるため、パワー損失が生じるのが防止される。
【００４６】
以上説明したように、整形装置１によれば、第１光学系２によりレーザビームＬ１を整形することで、所望の断面形状のレーザビームを得ることができる。また、第１光学系２によりレーザビームＬ１の一部を偏向することでレーザビームＬ１を整形するので、レーザビームＬ１の整形に際して整形装置１内の光学系以外の部品がレーザビームＬ１に当たるのを防止できるため、該部品が熱損傷するのを防止できる。これにより、整形装置１を安定して駆動できる。
【００４７】
また、第１光学系２により偏向されて第１ビームＢ１と分離された第２ビームＢ２が、第２光学系３により第１ビームＢ１に対して同軸心状に合流される。このため、レーザビームＬ１を整形する際にパワー損失が生じるのを防止できる。よって、所望の断面形状を有するように整形されたレーザビームをターゲットに効率よく照射できる。
【００４８】
ここで従来、出射装置から遠方に位置する小さいターゲットに適切に照射するためには、例えばレーザビームの強度を高めると共にレーザビームの集光性能を高めることが求められる。
【００４９】
レーザビームは、出射時のビーム径（以降、「出射ビーム径」と称する。）が大きいほどターゲットの照射位置での集光性能及び強度が向上する。このため、出射ビーム径は大きいほどよい。一方、出射ビーム径が出射装置の出射口径よりも大きくなると、レーザビームが出射装置内の光学系以外の部品に当たり、該部品が熱損傷したり、出射装置に熱影響が出るおそれがある。
【００５０】
この問題の対策としては、第１に出射ビーム径を小さくする方法が挙げられる。また第２に出射ビーム断面の周縁を制限アパーチャによりカットしてレーザを整形することにより、レーザを前記部品に当たらなくする方法が考えられる。
【００５１】
しかしながら第１の方法では、ターゲットの照射位置においてレーザビームの十分な集光性能及び強度を得ることが困難となる場合がある。また、第２の方法ではパワー損失が発生する。このパワー損失は、通常、集光性能を高めるために出射ビーム径を大きくすると増加する。
【００５２】
これに対して整形装置１によれば、レーザビームＬ１から外周部８０を第２ビームＢ２として取り除くことによりレーザビームＬ１を整形することで、レーザビームＬ１の径を変化させて出射ビーム径を所望の値に調整できるので、ターゲットの照射位置でのレーザビームの集光性能及び強度を向上できる。
【００５３】
また、第１光学系２により分離した第１ビームＢ１と第２ビームＢ２とを合流させることにより、出射ビーム径を大きく調整してもパワー損失が生じるのを防止できる。また、第１光学系２を用いることで、上記した熱損傷及び熱影響を防止できる。
【００５４】
また、第２ビームＢ２は外周部８０であり、第１ビームＢ１は中央部８１であるため、例えばレーザビームＬ１の強度分布が正規分布等である場合でも、パワー損失及び熱損傷を防止しつつ出射レーザビームＬ２のパワーを増大し易くできる。また、例えばレーザビームを出射する出射口径を増加させることにより、ターゲットの照射位置におけるレーザビームの強度及び集光強度を高めることができる。
【００５５】
また第２光学系３は、第２ビームＢ２を、第１ビームＢ１に対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側へ向かうに従って縮径させることで、第１ビームＢ１に合流させるので、ターゲットの照射位置におけるレーザビームの強度及び集光強度を更に高めることができる。
【００５６】
また第１光学系２は、レーザビームＬ１の中央部８１を第１ビームＢ１として通過させ、且つ、レーザビームＬ１の外周部８０を第２ビームＢ２として反射する環状の反射面２３ａを有する下流側スクレイパーミラー２３を有し、反射面２３ａが第１ビームＢ１の光軸に対して傾斜して配置されている。これにより、光学系の構造を簡素化しながら第１ビームＢ１と第２ビームＢ２とを比較的容易に分離できる。
【００５７】
また第２光学系３は、下流側スクレイパーミラー２３よりも上流側で、レーザビームＬ１を通過させ、且つ、下流側スクレイパーミラー２３で反射した第２ビームＢ２をレーザビームＬ１と共に導光しながら第１ビームＢ１に合流させる環状の反射面３４ａを有する上流側スクレイパーミラー３４を有している。これにより、光学系の構造を簡素化しながらレーザビームＬ１の外周部８０を中央部８１に合流させ易くできる。
【００５８】
また第２光学系３は、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２とを分離させる分離位置と、第２ビームＢ２を第１ビームＢ１に合流させる合流位置との間で、第２ビームＢ２を複数回循環させる。このようにすることで、第２ビームＢ２を第１ビームＢ１に合流させる際、第１ビームＢ１の光軸に対する第２ビームＢ２の傾斜角度を緩やかにして、レーザビームの集光性を向上させることができる。
【００５９】
また第２光学系３は、凸レンズ、凹レンズ、球面ミラー、及び放物面ミラーの少なくともいずれかを有する。このように比較的汎用性の高い光学系部品を用いることで、比較的安価に整形装置１を構成できる。
【００６０】
図７は、第１実施形態の変形例に係る第２光学系の一部構成を示す図である。この第２光学系は、凸レンズ３１の代わりに凹ミラー３５を有し、凸レンズ３２の代わりに凹ミラー３６を有する。凹ミラー３５の焦点距離Ｆ３と凹ミラー３６の焦点距離Ｆ４とは、共に０より大きい。ミラー間距離Ｄ２を合計焦点距離（Ｆ１＋Ｆ２）よりも大きく設定することで、凹ミラー３５，３６は第２ビームＢ２を集束させるように配置されている。
【００６１】
上記構成では、第１光学系により分離された第２ビームＢ２は、凹ミラー３５，３６により反射されて上流側スクレイパーミラー３４に導光される。なお、凹ミラー３５の代わりに、焦点距離が０より小さい凸ミラーを用いてもよい。
【００６２】
第１実施形態では、以下の第２実施形態に示す孔開きガイドミラー１２１を用いて、第２ビームＢ２を孔開きガイドミラー１２１の貫通孔１２１ｂを通じて、第１ビームＢ１の軸心と重なるように第１ビームＢ１と合流させてもよい。この場合、必要に応じて、第２光学系３は第２ビームＢ２の径を維持又は縮小させる光学部品を有していてもよい。以下、第２実施形態について、第１実施形態との差異を中心に説明する。
【００６３】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係るレーザビーム整形装置１０１の概要図である。図９は、図８のレーザビームＬ３の断面形状を示す図である。図９に示すように、第１光学系１０２よりも上流側を導光されるレーザビームＬ３は、断面が円環状である円環レーザビームである。
【００６４】
本実施形態のレーザビームＬ３は、レーザビームＬ１と同様に第１ビームＢ１と第２ビームＢ２とを有する。第２ビームＢ２は、円環レーザビームの外周部９０と、外周部９０よりも内側に位置する内周部９２である。第１ビームＢ１は、レーザビームＬ３の内周部９２と外周部９０との間に位置する中間周部９１である。内周部９２は中間周部９１と連続しており、中間周部９１は外周部９０と連続している。整形装置１０１では、レーザビームＬ３を所望の断面形状に整形するために、レーザビームＬ３から取り除く部分を外周部９０及び内周部９２とし、残留させる部分を中間周部９１とする。レーザビームＬ３の径方向の幅（厚み）寸法Ｗは、整形装置１０１に用いる光学系の種類等を調整することにより適宜設定可能である。
【００６５】
第１光学系１０２は、孔開きガイドミラー１２１、ガイドミラー２２、第１ミラー（スクレイパーミラー）１２３、孔開きガイドミラー１２４、及び第２ミラー１２５（以下、ガイドミラー１２５とも称する。）を有する。孔開きガイドミラー１２１及びガイドミラー２２は、レーザビームＬ３を第１ミラー１２３に案内する。孔開きガイドミラー１２１は、反射面１２１ａ及び貫通孔１２１ｂを有する。第１ミラー１２３は、反射面１２３ａ及び貫通孔１２３ｂを有する。反射面１２３ａは、レーザビームＬ３の外周部９０を反射する。貫通孔１２３ｂは、レーザビームＬ３の中間周部９１と内周部９２とを通過させる。
【００６６】
孔開きガイドミラー１２４は、中間周部９１を反射して所定の光路に案内すると共に、内周部９２を通過させる。孔開きガイドミラー１２４は、反射面１２４ａ及び貫通孔１２４ｂを有する。第２ミラー１２５は、レーザビームＬ２の内周部９２を反射する。このように第１光学系１０２は、第１ミラー１２３と第２ミラー１２５とを個別に有する。
【００６７】
第２光学系１０３は、第１実施形態の凸レンズ３１，３２及びミラー３３，ミラー（スクレイパーミラー）３４に加え、第２ミラー１２５，レンズ１２８，１３５、及びガイドミラー１３６，１３７を有する。光学要素１２５，１３５，１３６，１２８，１３７は、レーザビームＬ３の内周部９２を第２ビームＢ２として導光し、孔開きガイドミラー１２１の貫通孔１２１ｂを通じて第２ビームＢ２を第１ビームＢ１に合流させる。
【００６８】
レンズ１３５及びレンズ１２８は、ここでは第２ビームＢ２の径を縮小するように配置されている。レンズ１３５及びレンズ１２８は、第２ビームＢ２の径を維持又は拡大するように配置されていてもよい。第２光学系１０３が、第２ビームＢ２の径を拡大又は縮小する光学系として、凸レンズ、凹レンズ、及び放物面ミラー等の光学部品を含む場合、第２ビームＢ２の形状（外径／内径比等を含む）を保ったまま変化させることができる。
【００６９】
整形装置１０１の駆動時には、レーザビームＬ３の導光方向の上流側から下流側に向けて、レーザビームＬ３が孔開きガイドミラー１２１により案内された後、上流側スクレイパーミラー３４の貫通孔３４ｂを通過し、ガイドミラー２２により第１ミラー１２３に案内される。
【００７０】
第１ミラー１２３において、レーザビームＬ３は、貫通孔１２３ｂを通過する、第１ビームＢ１（中間周部９１）及び第２ビームＢ２（内周部９２）と、反射面１２３ａで反射される第２ビームＢ２（外周部９０）とに分離される。
【００７１】
その後、第１ビームＢ１及び第２ビームＢ２（内周部９２）を含むレーザビームは、孔開きガイドミラー１２４に案内される。第１ビームＢ１は、孔開きガイドミラー１２４の反射面１２４ａにより反射されて所定の光路に案内され、第２ビームＢ２（内周部９２）は、孔開きガイドミラー１２４の貫通孔１２４ｂを通過する。反射面１２４ａで反射された第１ビームＢ１は、出射レーザビームＬ４として出射光学系（ここでは出射装置４０）へ導入される。
【００７２】
一方、反射面１２３ａで反射された第２ビームＢ２（レーザビームＬ３の外周部９０）は、凸レンズ３１，３２により導光された後、ガイドミラー３３で反射され、上流側スクレイパーミラー３４に案内される。その後、第２ビームＢ２は、上流側スクレイパーミラー３４の反射面３４ａで反射されて集束しながら第１ビームＢ１と合流される。
【００７３】
また、孔開きガイドミラー１２４の貫通孔１２４ｂを通過した第２ビームＢ２（レーザビームＬ３の内周部９２）は、光学要素１２５，１３５，１３６，１２８，１３７により導光された後、孔開きガイドミラー１２１の貫通孔１２１ｂを通過して第１ビームＢ１と合流される。
【００７４】
本実施形態では、レーザビームＬ３と、内周部９２である第２ビームＢ２との孔開きガイドミラー１２１の反射面１２１ａ上の合流位置では、内周部９２である第２ビームＢ２の外径は、孔開きガイドミラー１２１の貫通孔１２１ｂの内径よりも十分小さい。また、該合流位置におけるレーザビームＬ３の外径は、孔開きガイドミラー１２１の貫通孔１２１ｂの内径よりも十分大きい。内周部９２である第２ビームＢ２は、孔開きガイドミラー１２１の貫通孔１２１ｂを通過して、レーザビームＬ３と共に導光され、第１ビームＢ１の軸心と重なるように第１ビームＢ１と合流される。
【００７５】
図１０は、図８のレーザビームＬ３の強度分布を示す図である。図１０の上側に示すように、円環レーザビームであるレーザビームＬ３の強度分布には、レーザビームＬ３の伝搬又は回折により発生した小さなピークが存在する場合がある。本実施形態では、レーザビームＬ３の外周部９０と内周部９２とを共にカットし（図１０の破線部分）、図１０の下側に示すように、カットした部分を第２ビームＢ２として回収して第１ビームＢ１に合流させることで、レーザビームＬ３の前記ピークに相当するパワー損失の発生をも防止する。
【００７６】
即ち整形装置１０１によれば、レーザビームＬ３が円環状であっても、熱損傷を防止しつつ所望形状の出射レーザビームＬ４をターゲットに照射できる。また、伝搬及び回折により発生した比較的強度が高いレーザビーム部分を回収することにより、パワー損失を良好に防止できる。
【００７７】
（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態に係るレーザビーム整形装置２０１の概要図である。図１２は、図１１のレーザビームＬ５の断面形状を示す図である。図１３は、図１１の第２光学系２０３の一部構成を示す図である。
【００７８】
第２実施形態と同様に、第１光学系２０２よりも上流側を導光されるレーザビームＬ５は、断面が円環状の円環レーザビームである。レーザビームＬ５は、レーザビームＬ１と同様に第１ビームＢ１と第２ビームＢ２とを有する。第１ビームＢ１は、レーザビームＬ５の外周部９０である。第２ビームＢ２は、レーザビームＬ５の外周部９０よりも内側に位置する内周部９３である。外周部９０と内周部９３とは連続している。整形装置２０１では、レーザビームＬ５を所望の断面形状に整形するために、レーザビームＬ５から取り除く部分を内周部９３とし、残留させる部分を外周部９０とする。
【００７９】
第１光学系２０２は、ガイドミラー２１，ガイドミラー２２、及び孔開きガイドミラー１２４を有する。第２光学系２０３は、アキシコンレンズ及びアキシコンミラーの少なくともいずれかを有する。一例として第２光学系２０３は、ガイドミラー１２５，１３６、凸アキシコンレンズ１３８，１３９、及び上流側スクレイパーミラー３４を有する。
【００８０】
凸アキシコンレンズ１３８，１３９は、孔開きガイドミラー１２４の貫通孔１２４ｂを通過した第２ビームＢ２の幅（＝（外径−内径）／２）を保ったまま内径（及び外径）を拡大する。凸アキシコンレンズ１３８，１３９は、互いの頂部を対向させた状態で離隔して配置されている。第２ビームＢ２が集光されるように、凸アキシコンレンズ１３８の頂角θａは、凸アキシコンレンズ１３９の頂角θｂよりも大きく設定されている。なお、凸アキシコンレンズ１３８の代わりに頂角θａが頂角θｂよりも大きい凹アキシコンレンズを用いてもよい。
【００８１】
第２光学系２０３は、第２ビームＢ２を、レーザビームＬ５に対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側に向かうに従って縮径させる。これにより第２光学系２０３は、第２ビームＢ２を、第１ビームＢ１に対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側へ向かうに従って縮径させることで、第１ビームＢ１に合流させる。
【００８２】
整形装置２０１の駆動時には、レーザビームＬ５の導光方向の上流側から下流側に向けて、レーザビームＬ５がガイドミラー２１により案内された後、上流側スクレイパーミラー３４の３４ｂを通過し、ガイドミラー２２により孔開きガイドミラー１２４に案内される。
【００８３】
孔開きガイドミラー１２４において、レーザビームＬ５は、貫通孔１２４ｂを通過する第２ビームＢ２（レーザビームＬ５の内周部９３）と、反射面１２４ａで反射される第１ビームＢ１とに分離される。第１ビームＢ１は、出射レーザビームＬ６として出射光学系（ここでは出射装置４０）へ導入される。
【００８４】
一方、貫通孔１２４ｂを通過した第２ビームＢ２は、光学要素１２５，１３６，１３８，１３９により導光された後、上流側スクレイパーミラー３４の反射面３４ａにより反射される。第２ビームＢ２は、レーザビームＬ５と共に導光され、第１ビームＢ１と合流される。
【００８５】
本実施形態では、第１実施形態と同様に、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との反射面３４ａ上の合流位置では、第２ビームＢ２の内径は、上流側スクレイパーミラー３４を通過したレーザビームＬ５の外径よりも十分大きい。一例として、該合流位置での第２ビームＢ２の内周は、上流側スクレイパーミラー３４を通過したレーザビームＬ５の外周から径方向に離隔している。この状態から、第２ビームＢ２は、第１ビームＢ１の軸心へ向けて集束されながら第１ビームＢ１と合流される。この第２ビームＢ２の集束は、例えば、凸アキシコンレンズ１３８，１３９の頂角θａ，θｂを設定することにより調整される。
【００８６】
以上の構成を有する整形装置２０１によれば、レーザビームＬ５が円環状であっても、熱損傷を防止しつつ所望形状の出射レーザビームＬ６をターゲットに照射できる。また、パワー損失を防止しながらレーザビームＬ５の内周部９３を良好に整形できる。
【００８７】
図１４は、第３実施形態の変形例に係る第２光学系の一部構成を示す図である。この第２光学系では、凸アキシコンレンズ１３８の代わりに凸アキシコンミラー１４１を用い、凸アキシコンレンズ１３９の代わりに凹アキシコンミラー１４０を用いる。図１４では、凸アキシコンミラー１４１の外観を示している。
【００８８】
凹アキシコンミラー１４０は、環状で円錐内面の反射面１４０ａと、貫通孔１４０ｂとを有する。反射面１４０ａを内面とする円錐の頂角θｃは、凸アキシコンミラー１４１の頂角θｄよりも小さい。
【００８９】
この構成では、凹アキシコンミラー１４０の貫通孔１４０ｂを通過した第２ビームＢ２が凸アキシコンミラー１４１の反射面１４１ａで反射された後、凹アキシコンミラー１４０の反射面１４０ａで反射される。なお、凸アキシコンミラー１４１の代わりに円錐内面の頂角が頂角θｃよりも大きい凹アキシコンミラーを用いてもよい。
【００９０】
このようなアキシコン光学系を用いることで、第２ビームＢ２を環状レーザビームに変換できると共に、その幅寸法（図９の幅寸法Ｗを参照）を維持しつつ、外径／内径比を変化させることができる。
【００９１】
以上のように、第３実施形態及び変形例に係る第２光学系は、アキシコンレンズ及びアキシコンミラーの少なくともいずれかを有するので、第２ビームＢ２が環状レーザビームである場合でも、第２ビームＢ２を第１ビームＢ１に良好に合流させることができる。
【００９２】
本実施形態では、第１光学系２０２よりも上流側を導光されるレーザビームＬ５は、断面が中実状であるレーザビームであってもよい。この場合、孔開きガイドミラー１２４の貫通孔１２４ｂを通過した中実状の第２ビームＢ２を、第２ビームＢ２の半径を幅とする環状のビームに変換して第１ビームＢ１に合流させることにより、パワー損失を防止しながら断面が所望の円環状に整形された出射レーザビームＬ６を得ることができる。
【００９３】
（第４実施形態）
図１５は、第４実施形態に係るレーザビーム整形装置３０１の概要図である。第２実施形態と同様に、第１光学系よりも上流側を導光されるレーザビームＬ７は、断面が円環状である円環レーザビームである。第２ビームＢ２は、レーザビームの外周部９０である（図１２参照）。第１ビームＢ１は、レーザビームＬ７の外周部９０よりも内側に位置する中央部（言い換えると内周部９３）である。
【００９４】
第１光学系３０２は、孔開きガイドミラー１２１、ガイドミラー２２、下流側スクレイパーミラー２３、及びガイドミラー２４を有する。第２光学系３０３は、凸アキシコンレンズ１４２、凸アキシコンレンズ１４３、凸レンズ１４４，１４５、及びガイドミラー１３６，１３７を有する。凸アキシコンレンズ１４２，１４３は、第２ビームＢ２の幅を保ったまま内径を縮小するように配置されている。凸レンズ１４４，１４５は、凸アキシコンレンズ１４３を通過した第２ビームＢ２の径を更に縮小するように配置されている。
【００９５】
整形装置３０１の駆動時には、レーザビームＬ７の導光方向の上流側から下流側に向けて、レーザビームＬ７が孔開きガイドミラー１２１により案内された後、ガイドミラー２２により下流側スクレイパーミラー２３に案内される。
【００９６】
下流側スクレイパーミラー２３において、レーザビームＬ７は、下流側スクレイパーミラー２３の貫通孔２３ｂを通過する第１ビームＢ１と、反射面２３ａで反射される第２ビームＢ２（レーザビームＬ７の外周部９０）とに分離される。第１ビームＢ１は、ガイドミラー２４により案内され、出射レーザビームＬ８として出射光学系（ここでは出射装置４０）へ導入される。
【００９７】
一方、反射面２３ａで反射された第２ビームＢ２は、光学要素１４２，１４３，１４４，１４５，１３６，１３７により導光されると共に、光学要素１４２，１４３において集束された後、孔開きガイドミラー１２１の貫通孔１２１ｂを通過してレーザビーム７と共に導光され、第１ビームＢ１と合流される。
【００９８】
このように整形装置３０１によれば、レーザビームＬ７が円環状であっても、パワー損失及び熱損傷を防止しつつ所望形状のレーザビームをターゲットに照射できる。
【００９９】
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成を変更、追加、又は削除できる。上記各実施形態は、互いに組み合わせてもよい。
【０１００】
第１光学系によりレーザビームの一部を偏向する方法は、レーザビームを反射する方法以外の方法でもよい。また上記各実施形態では、整形装置内で第１光学系がレーザビームを第１ビームと第２ビームとに分離する分離位置よりも上流側で第２ビームを第１ビームに合流する構成を例示したが、これに限定されず、前記分離位置よりも下流側で第２ビームを第１ビームに合流する構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
以上説明したように、本発明は、レーザビームのパワー損失を低減すると共に、レーザビームが照射されるターゲットの照射位置でのレーザビームの集光性能及び強度を向上できる優れた効果を奏する。従って、この効果の意義を発揮できるレーザシステムに本発明を広く適用すると有益である。
【符号の説明】
【０１０２】
Ｂ１    第１ビーム
Ｂ２    第２ビーム
Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７    レーザビーム
１，１０１，２０１，３０１    レーザビーム整形装置
２，２０２，３０２    第１光学系
３，２０３，３０３    第２光学系
２３    下流側スクレイパーミラー
２３ａ    下流側スクレイパーミラーの反射面
３１，３２    レンズ（凸レンズ）
３４    上流側スクレイパーミラー
３４ａ    上流側スクレイパーミラーの反射面
８０，９０    外周部
９１    中間周部
９２，９３    内周部
１２３    第１ミラー
１２５    第２ミラー
１３８，１３９，１４２，１４３    凸アキシコンレンズ（アキシコンレンズ）
１４０，１４１    凹アキシコンミラー（アキシコンミラー）
【図１】
2020154087.tif 000003
【図２】
2020154087.tif 000004
【図３】
2020154087.tif 000005
【図４】
2020154087.tif 000006
【図５】
2020154087.tif 000007
【図６】
2020154087.tif 000008
【図７】
2020154087.tif 000009
【図８】
2020154087.tif 000010
【図９】
2020154087.tif 000011
【図１０】
2020154087.tif 000012
【図１１】
2020154087.tif 000013
【図１２】
2020154087.tif 000014
【図１３】
2020154087.tif 000015
【図１４】
2020154087.tif 000016
【図１５】
2020154087.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月14日(2020.4.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームの一部を偏向することにより前記レーザビームを所望の断面形状に整形された第１ビームと該第１ビーム以外の第２ビームとに分離する第１光学系と、
前記第２ビームを前記第１ビームに対して同軸心状に合流させる第２光学系と、
を備え、
前記第２ビームは、前記レーザビームの外周部であり、
前記第１ビームは、前記レーザビームの前記外周部よりも内側に位置する中央部であって、
前記第２光学系は、前記第２ビームを、前記第１ビームに対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側へ向かうに従って縮径させ、前記第２ビームを前記第１ビームに集光強度を高めるように合流させる、レーザビーム整形装置。
【請求項２】
前記第１光学系は、前記レーザビームの前記中央部を前記第１ビームとして通過させ、且つ、前記レーザビームの前記外周部を前記第２ビームとして反射する環状の反射面を有する下流側スクレイパーミラーを有し、
前記下流側スクレイパーミラーの前記反射面が、前記第１ビームの光軸に対して傾斜して配置されている、請求項１に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項３】
レーザビームの一部を偏向することにより前記レーザビームを所望の断面形状に整形された第１ビームと該第１ビーム以外の第２ビームとに分離する第１光学系と、
前記第２ビームを前記第１ビームに対して同軸心状に合流させる第２光学系と、を備え、
前記第２ビームは、前記レーザビームの外周部であり、
前記第１ビームは、前記レーザビームの前記外周部よりも内側に位置する中央部であって、
前記第１光学系は、前記レーザビームの前記中央部を前記第１ビームとして通過させ、且つ、前記レーザビームの前記外周部を前記第２ビームとして反射する環状の反射面を有する下流側スクレイパーミラーを有し、前記下流側スクレイパーミラーの前記反射面が、前記第１ビームの光軸に対して傾斜して配置され、
前記第２光学系は、前記下流側スクレイパーミラーよりも上流側で、前記レーザビームを通過させ、且つ、前記下流側スクレイパーミラーで反射した前記第２ビームを前記第１ビームに合流させる環状の反射面を有する上流側スクレイパーミラーを有する、レーザビーム整形装置。
【請求項４】
レーザビームの一部を偏向することにより前記レーザビームを所望の断面形状に整形された第１ビームと該第１ビーム以外の第２ビームとに分離する第１光学系と、
前記第２ビームを前記第１ビームに対して同軸心状に合流させる第２光学系と、を備え、
前記第１光学系よりも上流側を導光される前記レーザビームは、断面が円環状である円環レーザビームであり、
前記第２ビームは、前記円環レーザビームの外周部と、前記外周部よりも内側に位置する内周部であり、
前記第１ビームは、前記円環レーザビームの前記内周部と前記外周部との間に位置する中間周部であり、
前記第１光学系は、前記円環レーザビームの前記外周部を反射する第１ミラーと、前記円環レーザビームの前記内周部を反射する第２ミラーとを個別に有する、レーザビーム整形装置。
【請求項５】
レーザビームの一部を偏向することにより前記レーザビームを所望の断面形状に整形された第１ビームと該第１ビーム以外の第２ビームとに分離する第１光学系と、
前記第２ビームを前記第１ビームに対して同軸心状に合流させる第２光学系と、を備え、
前記第１光学系よりも上流側を導光される前記レーザビームは、断面が円環状である円環レーザビームであり、
前記第１ビームは、前記円環レーザビームの外周部であり、
前記第２ビームは、前記円環レーザビームの前記外周部よりも内側に位置する内周部であり、
前記第２光学系は、前記第２ビームを、前記第１ビームに対して同軸心状且つ外方を取り囲むように配置すると共に、導光方向の下流側へ向かうに従って縮径させることで、前記第１ビームに合流させる、レーザビーム整形装置。
【請求項６】
前記第１光学系よりも上流側を導光される前記レーザビームは、断面が円環状である円環レーザビームである、請求項１に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項７】
前記第２光学系は、アキシコンレンズ及びアキシコンミラーの少なくともいずれかを有する、請求項４〜６のいずれか１項に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項８】
前記第２光学系は、凸レンズ、凹レンズ、球面ミラー、及び放物面ミラーの少なくともいずれかを有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザビーム整形装置。
【請求項９】
前記第２光学系は、前記第１ビームと前記第２ビームとを分離させる分離位置と、前記第２ビームを前記第１ビームに合流させる合流位置との間で、前記第２ビームを複数回循環させる、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザビーム整形装置。