(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射することができ、レーザビームの伝播方向（Ｚ）に垂直な方向（Ｘ）に互いに間隔をあけた部分ビーム（２）を有する、レーザ光源と、
レーザビームを均質化するための装置であって、
屈折面（６，６ａ）を通過する前よりも、屈折面（６，６ａ）を通過した後に、少なくとも部分的により収束されて進行するように、均質化されるべきレーザビームの少なくとも複数の部分ビーム（２）を、異なって回折可能である屈折面（６，６ａ）アレイ（５）と、
屈折面（６，６ａ）アレイ（５）を通過して入射する部分ビーム（２）を通過させることが可能であり、部分ビーム（２）の少なくともいくつかを、作業面（８）において重畳させることが可能であるレンズ手段（７）とを含むレーザビームを均質化するための装置と、を備えるレーザ装置であって、
アレイの屈折面間の角度（α）は、アレイ（５）の隣接した屈折面（６，６ａ）における隣接した部分ビーム（２）が受ける回折角差（Δφ）が、装置を通過する前の部分ビーム（２）のうちの１つの部分ビームの遠視野分布（９）の全半値幅（ｂ）の７５％と９５％との間になるように形成されてなることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
レーザ光源は、レーザダイオードバー（１）であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
部分ビームのそれぞれに、アレイ（５）の屈折面（６，６ａ）の１つが割り当てられることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
アレイ（５）の屈折面（６，６ａ）は、互いに傾斜していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
アレイ（５）の屈折面（６，６ａ）は少なくとも部分的に平らであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
アレイ（５）はプリズムアレイとして構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
アレイ（５）の屈折面（６，６ａ）は、少なくとも部分的に第１の方向（Ｘ）に相並んで、連なっていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項８】
アレイ（５）の屈折面（６，６ａ）は、少なくとも部分的に１５０°と１８０°との間の角度（α）を互いになしていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項９】
アレイ（５）の屈折面（６，６ａ）は、少なくとも部分的に１６５°と１８０°との間の角度（α）を互いになしていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
アレイ（５）の屈折面（６，６ａ）は、少なくとも部分的に１７５°と１７９°との間の角度（α）を互いになしていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
アレイ（５）の屈折面（６，６ａ）は、シリンダ状輪郭に設けられることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
シリンダ状輪郭のシリンダ軸は、第２の、第１の方向（Ｘ）と均質化されるべきレーザビームの伝播方向（Ｚ）とに垂直な方向（Ｙ）に延びることを特徴とする、請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
シリンダ状輪郭は凸に形成されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
レンズ手段（７）は、集光レンズを含み、または集光レンズからなることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１５】
作業面（８）は、レンズ手段（７）の出射側焦点面に設けられることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１６】
コリメーション手段（３，４）を含み、該コリメーション手段は、均質化されるべきレーザビームを、第１の方向（Ｘ）および／または第２の方向（Ｙ）に関して、少なくとも部分的にコリメート可能であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１７】
コリメーション手段（３，４）は、均質化されるべきレーザビームの伝播方向（Ｚ）において、アレイ（５）の屈折面（６，６ａ）の前に設けられることを特徴とする、請求項１６に記載のレーザ装置。
【請求項１８】
アレイの屈折面間角（α）、および／またはレンズ手段（７）は、隣接する部分ビーム（２）の角度差（Δφ）が同じ大きさになるように形成されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも、レーザビームが伝播する方向に垂直な第１の方向に、互いに間隔を有する部分ビームを有するレーザビームを均質化するための装置であって、特に、レーザダイオードバーから出射するレーザビームを均質化するための装置に関する。さらにまた、本発明は、レーザビーム源、レーザビームの伝播方向に垂直な方向に互いに離間した部分ビームを有するレーザビームを出射することが可能なレーザダイオードバーを包含するレーザ装置、レーザビームを均質化するための装置などの、レーザ装置に関する。
【０００２】
定義：レーザビームの伝播方向とは、特に、レーザビームが、平面波でない場合、または少なくとも部分的に収束または発散する場合においては、レーザビームの中間伝播方向を意味する。光ビーム、部分ビーム、またはビームについては、明確に別段の記載がない場合には、幾何光学の理想的ビームを意味するのではなく、現実の光ビーム、たとえば、無限小ではなく、拡大するビーム断面を示すガウスプロフィールを有するレーザビームなどを意味する。
【背景技術】
【０００３】
レーザダイオードバーは、その速軸に、ガウス形状の近視野分布と遠視野分布とを所有する。遅軸には、通常、スーパーガウス形状の近視野分布がある。コリメーションによって、たとえば、速軸−遅軸−コリメーションレンズおよび／または遅軸−速軸−コリメーションレンズによって、近視野分布と遠視野分布とが、互いに跨ることになる。均質なレンズまたは場を生じさせる種々の概念がある。これには、１段および２段の、屈折およびパウエルレンズに基づく回折ホモジナイザが利用可能である（たとえばF. M. Dickey, S. C. Holswade,"Laser beam shaping", Marcel Dekker Inc. New York, 2000参照）。
【０００４】
回折ホモジナイザは、通常、所望でない回折次数における放射による効率損失を示す。さらにまた、段数による定量化変換の場合における回折効率が制限される。
【０００５】
屈折ホモジナイザは、ガウス形状放射の場合、アレイの格子における回折が、干渉と、それによる、場における均質性の低下とにつながるという欠点を有している。これらのアレイ要素は、連続して照射され、レンズへの移行を理想的に行うことができないので、それが効率損失と均質性の低下につながる（たとえば、ＷＯ０３／０１６９６３Ａ１参照）。
【０００６】
パウエルレンズは、位相をシフトする方法に基づき、ガウス形状光源の場合にのみ意味がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の基礎とする課題は、レーザダイオードバーから出射されるレーザビームを良好に均質化することが可能な、冒頭で述べたタイプの装置を作製することである。さらにまた、かかる装置を含むレーザ装置を提供することである。
【０００８】
これは、発明に従えば、請求項１の特徴を含む装置によって、または、請求項１４の特徴を含むレーザ装置によって達成される。下位の請求項は、本発明の好ましい実施形態に関する。
【０００９】
請求項１に従えば、装置は、屈折面を通過する前よりも、屈折面を通過した後に、少なくとも部分的により収束されて進行するように、均質化されるべきレーザビームの少なくとも複数の部分ビームを、異なって回折可能である屈折面アレイを含んで構成されてなり、さらにまた、装置は、屈折面アレイを通過して入射する部分ビームを通過させることが可能なレンズ手段をさらに含み、その場合レンズ手段は、部分ビームの少なくともいくつかを、作業面において重畳させることが可能であるように構成されてなる。この概念は、コリメーションガウス源、またはスーパーガウス源に基づいている。前記重畳は、空間に設けられた光学アレイ要素を介して行われ、光学アレイ要素は、それぞれ個別のエミッタに設けられ、それらの遠視野に適合させて特定の角度オフセットを付加する。この特定の角度オフセットは、ガウス形状の傾斜面を有する均質な視野が発生するように、結果として生まれる角度分布が部分的に重なるような大きさとされる。この概念は、屈折プリズムアレイによって実施することが可能である。
【００１０】
ここで、発明に従った装置によって、２つの互いに相対して、かつ伝播方向に垂直な方向に対して相並んで設けられた部分ビームを、均質な強度分布が生まれるように重畳させることが可能であることに注目すべきである。したがって、本発明によって、たとえば、レーザダイオードバーのレーザビームのような、本質的に一次元の断面を有する、実施例に記載された部分ビームだけでなく、たとえばレーザダイオードバースタックのような、二次元の断面を有するレーザビームも均質化することが可能である。
【００１１】
請求項１４では、レーザ装置は、レーザビームを均質化するための発明に従った装置を含んでなり、アレイの屈折面間の角度は、アレイの隣接した屈折面における隣接した部分ビームが受ける回折角差が、装置を通過する前の部分ビームのうちの１つの部分ビームの遠視野分布の全半値幅の７５％と９５％との間になるように形成されてなる。角度の差がこの大きさの場合、発明に従った装置によって均質化されたレーザビームの遠視野強度分布には比較的均質な平坦域が生じる。
【００１２】
特にその場合、アレイの屈折面間の角度、および／またはレンズ手段を、隣接する部分ビームの角度差が同じ大きさになるように形成することが可能である。これによって、同じ強度分布の部分ビームの場合、作業面における重畳された強度分布の均一性が良好になる。たとえば、スーパーガウス係数のように、部分ビームが互いに異なる強度分布を示す場合には、隣接した部分ビームの角度差を異ならせて選択することは意味がある。
【００１３】
本発明のさらなる特徴と利点とは、添付の図を参照して、好ましい実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】発明に従ったレーザ装置の略正面図である。
【図２】ビームの進行を例示した、発明に従った装置の略側面図である。
【図３】図２における矢符ＩＩＩに従った細部の正面図である。
【図４】複数の部分ビームの重畳を概略的に示す図である。
【図５】レーザビームの各部分ビームの遠視野強度分布を示す図である。
【図６】発明に従った装置によって均質化されたレーザビームの遠視野強度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
いくつかの図においては、方向をわかりやすくするために、デカルト座標系が記入されている。さらにまた、図においては、同じまたは機能的に同じ、部分もしくは要素には同じ符号が付されている。
【００１６】
図１において、レーザダイオードバーは、参照符号１で示され、該レーザダイオードバーは、いわゆる遅軸または図においてはＸ方向において互いに並んで間隔をあけて配置されるエミッタ（図示せず）を含む。
【００１７】
たとえば、各エミッタは、遅軸における長さが約１５０μｍであり、その場合、２つの隣接するエミッタ間の距離は、この方向において通常４００μｍ、または５００μｍとなる。各エミッタは、レーザダイオードバー１のレーザビームの部分ビーム２（図２参照）を出射する。
【００１８】
図１においては、レーザダイオードバー１の後ろの伝播方向Ｚにおいて、各部分ビーム２を、速軸または図においてはＹ方向にコリメート可能な、速軸コリメーション手段３と、各部分ビーム２を遅軸または図においてはＸ方向にコリメート可能な、遅軸コリメーション手段４とが、概略的に示されている。
【００１９】
速軸コリメーション手段３は、たとえば、シリンダレンズを含んでもよく、そのシリンダ軸はＸ方向に延びる。さらにまた、遅軸コリメーション手段４は、たとえばシリンダレンズを含んでもよく、そのシリンダ軸はＹ方向に延びる。
【００２０】
これに代わって、伝播方向Ｚにおいて、速軸コリメーション手段３と遅軸コリメーション手段４との間には、ビーム変換装置を設けることも可能であって、該ビーム変換装置は、各部分ビーム２のそれぞれを伝播方向Ｚに関して９０°回転することが可能である。したがって、速軸における部分ビームのダイバージェンスが、遅軸におけるダイバージェンスと交換され、したがって、ビーム変換装置を通過した後部分ビーム２は、遅軸または図においてはＸ方向において、コリメートされる。このようなビーム変換装置は十分に知られており、たとえば、Ｘ方向に並んで配置されたシリンダレンズを含み、それらのシリンダ軸は、Ｘ−Ｙ平面においてＹ方向に４５°の角度をなしている。
【００２１】
このようなビーム変換装置を準備する場合、遅軸コリメーション手段４は、たとえばシリンダレンズを含んでもよく、該シリンダレンズのシリンダ軸は、同様にＸ方向に延びる。
【００２２】
速軸コリメーションレンズ３および遅軸コリメーション手段４の後の伝播方向Ｚにおいては、発明に従った装置５は、平らな入射面と出射面上に複数の屈折面６とを有するアレイ５を含む（図２参照）。アレイ５は、プリズムアレイとして形成され、その場合、該アレイ５は、図２の図示面内に、またはＹ方向に、その輪郭を変えずに延びる。
【００２３】
各屈折面６は、平らで、Ｘ方向において互いに相並んでいる。屈折面６は、互いに角度αをなしている（図３参照）。面６間の角度αは、それぞれ、１５０°と１８０°との間、特に、１６５°と１８０°との間であってよく、好ましくは１７５°と１７９°との間がよい。
【００２４】
その場合、屈折面６は、部分ビーム２のうちの１つが常に屈折面６のうちの１つに入射するような、大きさと配置とする。部分ビーム２は、屈折面６を通過して、屈折面６から出射した後互いに収束して進行するように回折される。特に、部分ビーム２が奇数の場合、レーザビームの伝播発散方向Ｚに対して垂直に、またはＸ−Ｙ面に配置される、中間屈折面６ａが設けられる。Ｚ方向に、この中間屈折面６ａを通過して入射する部分ビーム２は回折されない。
【００２５】
アレイ５の後には、レーザビームの伝播方向Ｚにおいて、レンズ手段７が設けられ、該レンズ手段７は、たとえば、図示された実施形態においては、両凸レンズとして形成されている。レンズ手段７は、平凸レンズまたは凹凸レンズとして形成されてもよい。さらにまた、レンズ手段７は、シリンダレンズとして、特に、非球面の輪郭を持つシリンダレンズとして形成してもよい。
【００２６】
レンズ手段７は、アレイ５から出射する部分ビーム２を作業面８において互いに重畳させることが可能である。この場合、作業面８は、レンズ手段７の出射側焦点面に設けられる。したがって、レンズ手段７は、フーリエレンズとして働き、レーザビームの角度分布を作用面８における位置分布に変換することが可能である。
【００２７】
図５は、レーザビームの各部分ビーム２の遠視野強度分布９を示している。これは本質的には、ガウスプロフィールを有している。図６は、発明に従った装置によって均質化されたレーザビームの遠視野強度分布１０を示しており、この場合、複数の、たとえば１８の部分ビーム２が、遠視野において重畳されている。遠視野強度分布１０は、比較的均質な平坦域１１とガウス形状の傾斜面１２とを有することがわかる。
【００２８】
図４は、遠視野強度分布１０に対する、各部分ビーム２の遠視野強度分布９の重畳を示している。その場合、図４においては、角度座標に対する遠視野強度が示されている。図４に図示された実施例において、各部分ビーム２の５つの遠視野強度分布９が、共通の遠視野強度分布１０に重畳されている。
【００２９】
各部分ビーム２は、異なる角度をなしてアレイ５を離れるのがわかる。隣接する部分ビームの角度差Δφは、各部分ビーム２のそれぞれの遠視野強度分布９の全半値幅のおよそ８５％に相当する。
【００３０】
部分ビーム２が、純粋にガウスプロフィールを有するのかどうか、またはスーパーガウスプロフィールのような改良されたガウスプロフィールを有するのかどうかに応じて、アレイ５の隣接する屈折面６における隣接する部分ビーム２が受ける回折角の適切な差Δφは、装置を通過する前の部分ビーム２の遠視野強度分布９の全半値幅ｂの７５％と９５％との間に相当すべきである。この範囲における角度差の場合には、発明に従った装置によって均質化されたレーザビームの遠視野強度分布１０の比較的均質な平坦域１１が生じる。
【００３１】
アレイ５の代わりに、レーザビームの伝播方向Ｚに相前後して配置される、プリズムアレイとして形成された２つのアレイを設けることも可能である。その場合には、ＤＥ１０２００７９５２７８２に基づき、各部分ビーム２間の間隔は、小さくすることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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