(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なる円環レーザビームを出射する複数の整形光学ユニットを備え、
前記各整形光学ユニットは、伝搬するに従って、前記外径寸法が減少すると共に内径寸法に対する外径寸法の比が大きくなる前記円環レーザビームを整形し、
前記各整形光学ユニットは、出射する円環レーザビームが同心状となるように配置されている、レーザビーム合成装置。
【請求項２】
前記整形光学ユニットは、
入射したレーザビームの径寸法を拡大して円環レーザビームを出射する円錐面を有する第１アキシコン光学系と、
前記第１アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小する円錐面を有する第２アキシコン光学系と、
前記第２アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの進路を変更する反射光学系と、を含み、
前記第１アキシコン光学系の円錐角および前記第２アキシコン光学系の円錐角の少なくともいずれか一方が前記各整形光学ユニットごとに異なっており、
前記反射光学系は、入射した円環レーザビームを、他の前記反射光学系から出射された円環レーザビームに対して同心状に出射する、請求項１に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項３】
前記第１アキシコン光学系は、円錐形状に突出した反射面を有する凸型アキシコンミラーであり、
前記第２アキシコン光学系は、前記凸型アキシコンミラーの反射面に対向しかつ円錐形状に窪んだ反射面、および、当該反射面とその反対側にある面との間を貫通した孔を有する凹型アキシコンミラーであり、
前記反射光学系は、前記凸型アキシコンミラーと前記凹型アキシコンミラーとの間に配置され、かつ、前記凹型アキシコンミラーから出射した円環レーザビームの光軸に対して傾斜する反射面、および、当該反射面とその反対側にある面との間を貫通した孔を有するスクレイパーミラーである、請求項２に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項４】
前記各整形光学ユニットにおける前記凹型アキシコンミラーの円錐角は前記凸型アキシコンミラーの円錐角より小さく、
前記整形光学ユニットにおける前記凹型アキシコンミラーの円錐角と前記凸型アキシコンミラーの円錐角との差は、当該整形光学ユニットの前記スクレイパーミラーの出射方向側に設けられた整形光学ユニットより小さい、請求項３に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項５】
前記第１アキシコン光学系は、円錐形状に突出した射出面を有する第１アキシコンレンズであり、
前記第２アキシコン光学系は、前記射出面に対向しかつ円錐形状に突出した入射面を有する第２アキシコンレンズであり、
前記反射光学系は、前記第１アキシコンレンズとの間に前記第２アキシコンレンズを挟むように配置され、かつ、前記第２アキシコンレンズから出射した円環レーザビームの光軸に対して傾斜する反射面、および、当該反射面とその反対側にある面との間を貫通した孔を有するスクレイパーミラーである、請求項２に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項６】
前記第１アキシコンレンズの円錐角は前記第２アキシコンレンズの円錐角より大きく、
前記各整形光学ユニットにおける前記第１アキシコンレンズの円錐角と前記第２アキシコンレンズの円錐角との差は、当該整形光学ユニットの前記スクレイパーミラーの出射方向側に設けられた整形光学ユニットより小さい、請求項５に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項７】
前記反射光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を拡大する反射面を有する副鏡と、
前記副鏡から出射した円環レーザビームを集光する反射面を有する主鏡と、をさらに備える、請求項２〜６のいずれか一項に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項８】
前記各整形光学ユニットにおける前記第１アキシコン光学系の円錐角および前記第２アキシコン光学系の円錐角の差は、前記各整形光学ユニットの前記反射光学系から出射した円環レーザビームが前記主鏡の反射面において互いに重なるように定められる、請求項７に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項９】
前記副鏡の反射面の曲率半径Ｒｓは、入射する円環レーザビームの最大半径寸法Ｒｏに対して、Ｒｓ＜１０×Ｒｏを満たす、請求項７または８に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項１０】
前記反射光学系から出射された円環レーザビームの光軸に沿って可視光線を出射するガイド光源をさらに備えている、請求項２〜９のいずれか一項に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項１１】
前記整形光学ユニットは、
円環レーザビームを出射する出射光学系と、
前記出射光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小して当該円環レーザビームの進路を変更する楕円錐面を有する反射光学系と、を含み、
前記反射光学系の楕円錐面の長径側および短径側の両方の円錐角が前記各整形光学ユニットごとに異なり、
前記反射光学系は、入射した円環レーザビームを、他の前記反射光学系から出射された他の円環レーザビームに対して同心状に出射する、請求項１記載のレーザビーム合成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム合成装置に関し、特に、複数の円環レーザビームをインコヒーレントに合成するレーザビーム合成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の円環レーザビームを合成することによりレーザビームの高出力化を図る装置として、たとえば、特許文献１のレーザビーム合成装置が知られている。この装置では、径の大きい円環レーザビームが径の小さい円環レーザビームを取り巻くように、複数の円環レーザビームを合成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−４３５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
円環レーザビームの集光性は、集光前の円環レーザビームのリング状断面における幅寸法や内外径比（内径寸法／外径寸法）に依存する。外径寸法が同じ円環レーザビームでは、集光前の円環レーザビームの幅寸法（光束の断面積）が小さいほど、集光したレーザビームの径寸法が大きくなり、集光性が低下する。たとえば、特許文献１のレーザビーム合成装置で合成したレーザビームを集光する場合、集光したレーザビームは集光性に劣る。これは、合成したレーザビームにおいて、径の大きい円環レーザビームが径の小さい円環レーザビームを取り巻いているため、各円環レーザビームの幅寸法が小さいからである。よって、この円環レーザビームを合成したレーザビームを集光すると、集光したレーザビームの径寸法が大きくなる。これにより、複数の円環レーザビームを合成したレーザビームの径寸法も大きくなり、そのエネルギー密度（照射された単位面積当たりのエネルギー）やパワー密度（単位時間当たりのエネルギー密度）が低下してしまう。この結果、集光したレーザビームの焦点において高いエネルギーを得られなかったり、集光したレーザビームの照射可能な距離が短くなったりする問題が生じる。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、高エネルギー密度や高パワー密度の照射性能向上を図ったレーザビーム合成装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様に係るレーザビーム合成装置は、単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なる円環レーザビームを出射する複数の整形光学ユニットを備え、前記各整形光学ユニットは、伝搬するに従って、前記外径寸法が減少すると共に内径寸法に対する外径寸法の比が大きくなる前記円環レーザビームを整形し、前記各整形光学ユニットは、出射する円環レーザビームが同心状となるように配置されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、以上に説明した構成を有し、高エネルギー密度や高パワー密度の照射性能向上を図ったレーザビーム合成装置を提供することができるという効果を奏する。
【０００８】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施の形態に係るレーザビーム合成装置を模式的に示す構成図である。
【図２】図１のレーザビーム合成装置の一対のアキシコンミラーにおける円錐角の関係を示す図である。
【図３】図１のレーザビーム合成装置の集光光学系における円環レーザビームの形状を示す図である。
【図４】図３の集光光学系により集光された合成レーザビームを模式的に示す図である。
【図５】図５（Ａ）は、図１の第５反射面における円環レーザビームの強度分布を示すグラフである。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の円環レーザビームを集光したレーザビームの強度分布を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施の形態に係るレーザビーム合成装置の集光光学系を模式的に示す構成図である。
【図７】図７（Ａ）は、図６の第５反射面において円環レーザビームがそれぞれ重ならない場合における、第５反射面上の円環レーザビームの径寸法を表したグラフである。図７（Ｂ）は、図６の第５反射面において円環レーザビームがそれぞれ重なっている場合における、第５反射面上の円環レーザビームの径寸法を表したグラフである。
【図８】図６のレーザビーム合成装置の焦点距離とエネルギー密度比との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第３実施の形態に係るレーザビーム合成装置を模式的に示す図である。
【図１０】図９のレーザビーム合成装置の一対のアキシコンレンズにおける円錐角の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
第１の本発明に係るレーザビーム合成装置は、単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なる円環レーザビームを出射する複数の整形光学ユニットを備え、前記各整形光学ユニットは、伝搬するに従って、前記外径寸法が減少すると共に内径寸法に対する外径寸法の比が大きくなる前記円環レーザビームを整形し、前記各整形光学ユニットは、出射する円環レーザビームが同心状となるように配置されている。
【００１１】
第２の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第１の発明において、  前記整形光学ユニットは、入射したレーザビームの径寸法を拡大して円環レーザビームを出射する円錐面を有する第１アキシコン光学系と、前記第１アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小する円錐面を有する第２アキシコン光学系と、前記第２アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの進路を変更する反射光学系と、を含み、前記第１アキシコン光学系の円錐角および前記第２アキシコン光学系の円錐角の少なくともいずれか一方が前記各整形光学ユニットごとに異なっており、前記反射光学系は、入射した円環レーザビームを、他の前記反射光学系から出射された円環レーザビームに対して同心状に出射してもよい。
【００１２】
第３の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第２の発明において、前記第１アキシコン光学系は、円錐形状に突出した反射面を有する凸型アキシコンミラーであり、前記第２アキシコン光学系は、前記凸型アキシコンミラーの反射面に対向しかつ円錐形状に窪んだ反射面、および、当該反射面とその反対側にある面との間を貫通した孔を有する凹型アキシコンミラーであり、前記反射光学系は、前記凸型アキシコンミラーと前記凹型アキシコンミラーとの間に配置され、かつ、前記凹型アキシコンミラーから出射した円環レーザビームの光軸に対して傾斜する反射面、および、当該反射面とその反対側にある面との間を貫通した孔を有するスクレイパーミラーであってもよい。
【００１３】
第４の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第３の発明において、前記各整形光学ユニットにおける前記凹型アキシコンミラーの円錐角は前記凸型アキシコンミラーの円錐角より小さく、前記整形光学ユニットにおける前記凹型アキシコンミラーの円錐角と前記凸型アキシコンミラーの円錐角との差は、当該整形光学ユニットの前記スクレイパーミラーの出射方向側に設けられた整形光学ユニットより小さくてもよい。
【００１４】
第５の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第２の発明において、前記第１アキシコン光学系は、円錐形状に突出した射出面を有する第１アキシコンレンズであり、前記第２アキシコン光学系は、前記射出面に対向しかつ円錐形状に突出した入射面を有する第２アキシコンレンズであり、前記反射光学系は、前記第１アキシコンレンズとの間に前記第２アキシコンレンズを挟むように配置され、かつ、前記第２アキシコンレンズから出射した円環レーザビームの光軸に対して傾斜する反射面、および、当該反射面とその反対側にある面との間を貫通した孔を有するスクレイパーミラーであってもよい。
【００１５】
第６の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第５の発明において、前記第１アキシコンレンズの円錐角は前記第２アキシコンレンズの円錐角より大きく、前記各整形光学ユニットにおける前記第１アキシコンレンズの円錐角と前記第２アキシコンレンズの円錐角との差は、当該整形光学ユニットの前記スクレイパーミラーの出射方向側に設けられた整形光学ユニットより小さくてもよい。
【００１６】
第７の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第２〜第６のいずれか１つの発明において、前記反射光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を拡大する反射面を有する副鏡と、前記副鏡から出射した円環レーザビームを集光する反射面を有する主鏡と、をさらに備えていてもよい。
【００１７】
第８の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第７発明において、前記各整形光学ユニットにおける前記第１アキシコン光学系の円錐角および前記第２アキシコン光学系の円錐角の差は、前記各整形光学ユニットの前記反射光学系から出射した円環レーザビームが前記主鏡の反射面において互いに重なるように定められてもよい。
【００１８】
第９の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第７または第８の発明において、前記副鏡の反射面の曲率半径Ｒｓは、入射する円環レーザビームの最大半径寸法Ｒｏに対して、Ｒｓ＜１０×Ｒｏを満たしていてもよい。
【００１９】
第１０の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第２〜第９のいずれかの発明において、前記反射光学系から出射された円環レーザビームの光軸に沿って可視光線を出射するガイド光源をさらに備えていてもよい。
【００２０】
第１１の本発明に係るレーザビーム合成装置は、第１の発明において、円環レーザビームを出射する出射光学系と、前記出射光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小して当該円環レーザビームの進路を変更する楕円錐面を有する反射光学系と、を含み、前記反射光学系の楕円錐面の長径側および短径側の両方の円錐角が前記各整形光学ユニットごとに異なり、前記反射光学系は、入射した円環レーザビームを、他の前記反射光学系から出射された他の円環レーザビームに対して同心状に出射してもよい。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２２】
（第１実施の形態）
（レーザビーム合成装置の構成）
図１は、本発明の第１実施の形態に係るレーザビーム合成装置１００を模式的に示す構成図である。図２は、一対のアキシコンミラー１４、１５の円錐角θＡ、θＢの関係を示す図である。この図１および図２を参照して、レーザビーム合成装置１００の構成について説明する。
【００２３】
図１に示すように、レーザビーム合成装置１００は、複数の円環レーザビームを合成する装置であって、複数の整形光学ユニット１１（以下、「ユニット」と言う。）を備えている。円環レーザビームは、断面が円形状のレーザビームの中央部が除去されたリング状のレーザビームである。また、レーザビーム合成装置１００は、レーザ光源１２および集光光学系２０をさらに備えていてもよい。レーザ光源１２は、中実レーザビームを発するレーザ装置であって、必要な特性に応じて、半導体レーザやファイバーレーザ、固体レーザなどが用いられる。レーザ光源１２は、各ユニット１１に対応して設けられており、たとえば、３つ設けられている。３つのレーザ光源１２は、出射する中実レーザビームの光軸が互いに平行になるように配置されている。
【００２４】
ユニット１１は、単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なる円環レーザビームを出射する複数、たとえば、３つ設けられている。３つのユニット１１は、第１ユニット１１ａ、第２ユニット１１ｂ、第３ユニット１１ｃで構成されている。第３ユニット１１ｃが集光光学系２０に最も近くなるように、第３ユニット１１ｃ、第２ユニット１１ｂおよび第１ユニット１１ａはこの順（近接順）で並んでいる。なお、便宜上、第１ユニット１１ａ、第２ユニット１１ｂ、第３ユニット１１ｃのそれぞれを第ｎユニット１１と記すことがある。この場合、第ｎユニット１１は第ｎ−１ユニット１１より集光光学系２０に近く、この実施の形態では、ｎおよびｎ−１は１〜３までの整数である。
【００２５】
ユニット１１は、一対のアキシコンミラー１４、１５およびスクレイパーミラー１６を備えている。一対のアキシコンミラー１４、１５は、凹型アキシコンミラー１４および凸型アキシコンミラー１５により構成されており、凹型アキシコンミラー１４は凸型アキシコンミラー１５よりレーザ光源１２側に位置している。
【００２６】
凸型アキシコンミラー１５は、第１アキシコン光学系であって、略円盤形状であり、第１反射面１５ａを有している。第１反射面１５ａは、入射したレーザビームの径寸法（内径寸法および外径寸法）を拡大して円環レーザビームを出射する円錐面である。第１反射面１５ａは、円錐形状に突き出し、この円錐の頂点が凸型アキシコンミラー１５の中心に位置するように形成されている。凸型アキシコンミラー１５は、第１反射面１５ａがレーザ光源１２と対向するように配置されている。
【００２７】
凹型アキシコンミラー１４は、第２アキシコン光学系であって、略円盤形状であり、第２反射面１４ａおよび孔（第１通過孔）１４ｂを有している。第２反射面１４ａは、凸型アキシコンミラー１５から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小する円錐面である。第２反射面１４ａは、円錐形状に窪み、この円錐の頂点が凹型アキシコンミラー１４の中心に位置するように形成されている。第２反射面１４ａは、その径寸法が第１反射面１５ａの径寸法より大きい。第１通過孔１４ｂは、第２反射面１４ａの頂点において第２反射面１４ａの軸に沿って第２反射面１４ａとその反対側にある面との間を貫通している。凹型アキシコンミラー１４は、第１通過孔１４ｂがレーザ光源１２からの中実レーザビームの光軸に沿うように配置されている。また、凹型アキシコンミラー１４は、その第２反射面１４ａが第１反射面１５ａに対向し、かつ、第２反射面１４ａの軸が第１反射面１５ａの軸と一致するように配置されている。
【００２８】
スクレイパーミラー１６は、凹型アキシコンミラー１４から出射した円環レーザビームの進路を変更する反射光学系であって、凹型アキシコンミラー１４と凸型アキシコンミラー１５との間に配置されている。スクレイパーミラー１６は、円盤形状であって、平らな第３反射面１６ａおよび孔（第２通過孔）１６ｂを有している。第２通過孔１６ｂは、第３反射面１６ａの中央において、第３反射面１６ａとその反対側にある面との間を貫通している。第２通過孔１６ｂは、互いに直交する２つのレーザビームが通過できるように、第３反射面１６ａに対して４５°に傾く２方向から開けられている。この第１方向が第２反射面１４ａの軸に平行であり、第２方向が第２反射面１４ａの軸に対して直交するように、スクレイパーミラー１６は配置されている。また、スクレイパーミラー１６は、第２反射面１４ａにおける第２通過孔１６ｂの中心が第１反射面１５ａの軸および第２反射面１４ａの軸上にあり、第３反射面１６ａが第２反射面１４ａの軸に対して４５°で傾斜するように配置されている。
【００２９】
各ユニット１１において一対のアキシコンミラー１４、１５は、第１反射面１５ａの円錐角θＡと第２反射面１４ａの円錐角θＢとが異なり、この差Δが集光光学系２０に近いユニット１１ほど（ユニット１１の近接順に）大きくなるように形成されている。具体的には、図２に示すように、第１反射面１５ａの円錐角θＡは、第１反射面１５ａにおける円錐の回転軸と円錐の母線との間の角度θａの２倍である。第２反射面１４ａの円錐角θＢは、第２反射面１４ａにおける円錐の回転軸と円錐の母線との間の角度θｂの２倍である。この円錐角θＡおよび円錐角θＢは、鈍角であって、たとえば、１７０〜１８０°が好ましい。第１反射面１５ａの円錐角θＡは、第２反射面１４ａの円錐角θＢより大きく形成されている。この差Δは、たとえば、０．００１〜０．１°であって、ユニット１１の近接順に大きくなっている。つまり、第ｎ−１ユニット１１における差Δは、第３反射面１６ａの出射方向側に設けられた第ｎユニットにおける差Δより小さくなっている。たとえば、第１ユニット１１ａでは差Δが０．０１０に、第２ユニット１１ｂでは差Δが０．０１５に、第３ユニット１１ｃでは差Δが０．０２０に設定されている。この実施の形態では、円錐角θＢが一定で、円錐角θＡがユニット１１の近接順に大きくなるように設定されている。ただし、差Δがユニット１１の近接順に大きくなっていれば、円錐角θＡを一定にして、円錐角θＢを変化させてもよいし、または、円錐角θＡおよびθＢの両方共を変化させてもよい。また、この実施の形態では、各ユニット１１において円錐角θＡが円錐角θＢより大きいが、第１ユニット１１ａでは円錐角θＡが円錐角θＢと等しくてもよい。この場合、円錐角θＡと円錐角θＢとの差Δは０になる。
【００３０】
また、図１に示すように、各ユニット１１において一対のアキシコンミラー１４、１５は、第１反射面１５ａと第２反射面１４ａとの間の寸法がユニット１１の近接順に大きくなるように配置されている。これにより、反射面１４ａ、１５ａで反射された円環レーザビームの径寸法がユニット１１の近接順に大きくなる。なお、反射面１４ａ、１５ａ間の寸法調整に代えて、反射面１４ａ、１５ａで反射された円環レーザビームの径寸法がユニット１１の近接順に大きくなるように、第１反射面１５ａの円錐角θＡおよび第２反射面１４ａの円錐角θＢを調整してもよい。
【００３１】
さらに、各ユニット１１において、スクレイパーミラー１６は、第２通過孔１６ｂの第２方向の中心線（ガイド線）が一致するように並べられている。また、各ユニット１１においてスクレイパーミラー１６は、第３反射面１６ａおよび第２通過孔１６ｂの径寸法が集光光学系２０に近いユニット１１ほど大きくなるように形成されている。つまり、第ｎユニット１１におけるスクレイパーミラー１６および第２通過孔１６ｂの径寸法は、第ｎ−１ユニット１１のそれらより大きくなっている。
【００３２】
集光光学系２０は、主鏡２１および副鏡２２を有する反射光学系である。主鏡２１は、第５反射面２１ａおよび孔（第３通過孔２１ｂ）を有し、副鏡２２は第４反射面２２ａを有している。第３通過孔２１ｂは第５反射面２１ａの中央において第５反射面２１ａとその反対側にある面との間を貫通している。第５反射面２１ａの径寸法は第４反射面２２ａの径寸法より大きく設定されている。第５反射面２１ａは凹面であって、第４反射面２２ａは凸面である。なお、第４反射面２２ａは凹面で形成されていてもよい。
【００３３】
各反射面２１ａ、２２ａは放物面または双曲面などの非球面で形成されており、この実施の形態では、放物面で形成されている。ただし、第５反射面２１ａおよび／または第４反射面２２ａは、球面で形成されていてもよい。また、第４反射面２２ａの曲率半径は、第４反射面２２ａに入射する円環レーザビームの外径の半径寸法に比べて、幾何光学的収差の発生を抑えるように十分に大きく設定されている。たとえば、第４反射面２２ａの曲率半径は、円環レーザビームの外径の半径寸法の１０倍以上である。副鏡２２は、第４反射面２２ａの軸が第５反射面２１ａの軸と一致し、第４反射面２２ａが第５反射面２１ａに対向するように配置されている。
【００３４】
なお、集光光学系２０は、第３通過孔２１ｂを有する主鏡２１を用いたカセグレン式の光学系であるが、これに限定されない。たとえば、集光光学系２０にナスミス式やクーデ式の光学系であってもよい。この場合、主鏡２１には第３通過孔２１ｂを設けずに、主鏡２１と副鏡２２との間に反射面を配置する。この反射面は、平面であって、副鏡２２の軸に対して傾斜する。反射面は、その側方から入射する円環レーザビームを反射して副鏡２２に導く。
【００３５】
レーザビーム合成装置１００は、ユニット１１と集光光学系２０との間に縮小光学系３０や導光光学系４０などを必要に応じて備えていてもよい。縮小光学系３０は、ユニット１１から出射された円環レーザビームの径寸法を縮小させる光学系である。導光光学系４０は、ユニット１１から出射された円環レーザビームを集光光学系２０に導く光学系であって、この実施の形態では２つの平板ミラー４１、４２を用いている。
【００３６】
レーザビーム合成装置１００は、可視光線を出射するガイド光源６０をさらに備えていてもよい。ガイド光源６０は、可視光線が各スクレイパーミラー１６の第２通過孔１６ｂの中心を第２方向からガイド線に沿って通過するように配置されている。
【００３７】
（レーザビーム合成装置の動作）
図３は、集光光学系２０における合成レーザビームの形状を示す図である。図４は、集光光学系２０により集光した合成レーザビームを模式的に示す図である。以下、図１〜図４を参照して、レーザビーム合成装置１００が複数の円環レーザビームを合成する動作について説明する。
【００３８】
図１に示すように、中実レーザビームが各レーザ光源１２から各ユニット１１に入射する。ユニット１１では凹型アキシコンミラー１４の第１通過孔１４ｂの径寸法およびスクレイパーミラー１６の第２通過孔１６ｂの径寸法は、中実レーザビームの径寸法より大きく設定されている。このため、中実レーザビームは第１通過孔１４ｂを通り抜け、さらに、第２通過孔１６ｂを第１方向に通過する。そして、中実レーザビームは、凸型アキシコンミラー１５の第１反射面１５ａに達する。このとき、中実レーザビームの光軸上に第１反射面１５ａの頂点があるため、中実レーザビームの中心が第１反射面１５ａの頂点に当たり、中実レーザビームは、円錐形状の第１反射面１５ａの軸に対して線対称で、この軸からの距離に関わらず一定の角度で反射する。これにより、中実レーザビームが円環レーザビームに変換されて、円環レーザビームはその幅寸法が一定のままスクレイパーミラー１６の方へ進む。このスクレイパーミラー１６の第２通過孔１６ｂの径寸法は、第１反射面１５ａで反射された円環レーザビームの外径寸法より大きく設定されている。このため、円環レーザビームは、第２通過孔１６ｂを第１方向に通り、凹型アキシコンミラー１４へ向かう。この際、円環レーザビームは光軸を中心に広がりながら第２反射面１４ａの軸に沿って進み、円環レーザビームの内径寸法は凹型アキシコンミラー１４の第１通過孔１４ｂの径寸法より大きくなる。これにより、円環レーザビームは第１通過孔１４ｂの周りの第２反射面１４ａに当たる。円環レーザビームは、第２反射面１４ａの軸に対して線対称で、この軸からの距離に関わらず一定の角度で反射する。この第２反射面１４ａの軸が第１反射面１５ａの軸と一致しているため、円環レーザビームはリング状のまま第２反射面１４ａで反射する。第２反射面１４ａの円錐角θＢが第１反射面１５ａの円錐角θＡより少し小さいと、第２反射面１４ａで反射した円環レーザビームは光軸を中心にわずかに狭くなりながら再びスクレイパーミラー１６に向かって進む。ただし、第２反射面１４ａは円錐面であるため、円環レーザビームはその幅寸法を一定に維持する。そして、スクレイパーミラー１６において円環レーザビームの内径寸法が第２通過孔１６ｂの径寸法より大きいため、円環レーザビームは第２通過孔１６ｂの周りの第３反射面１６ａに当たる。そして、円環レーザビームは第２反射面１４ａの軸に対して垂直な方向に反射されて、ユニット１１から出射する。
【００３９】
この円環レーザビームの径寸法がユニット１１の近接順に大きくなるように、調整されている。これにより、第ｎユニット１１から出射された円環レーザビーム（第ｎ円環レーザビーム）の径寸法が、第ｎ−１ユニット１１から出射された円環レーザビーム（第ｎ−１円環レーザビーム）より大きくなっている。
【００４０】
これに対して、各ユニット１１においてスクレイパーミラー１６の第２通過孔１６ｂの径寸法がユニット１１の近接順に大きくなっている。特に、第ｎユニット１１における第２通過孔１６ｂの径寸法は、第ｎ−１ユニット１１から出射される第ｎ−１円環レーザビームの外径寸法より大きい。このため、第ｎ−１円環レーザビームは第ｎユニット１１の第２通過孔１６ｂを通り抜けることができる。
【００４１】
また、各ユニット１１において第３反射面１６ａは、その中心がガイド線上に並び、かつ、傾斜角度が等しい。このため、各ユニット１１の第３反射面１６ａで反射された円環レーザビームの光軸が一致する。
【００４２】
よって、図１のＧ１に示す合成レーザビームの断面形状のように、３つの円環レーザビームは同心状に合成されて、合成レーザビームは同軸に出射される。この合成レーザビームは、出射直後には、第ｎ円環レーザビームが第ｎ−１レーザビームを取り囲む形状を有している。
【００４３】
そして、合成レーザビームは、縮小光学系３０において集光光学系２０の第３通過孔２１ｂを通過可能な大きさに縮小される。縮小光学系３０を経た合成レーザビームは、導光光学系４０の平板ミラー４１、４２に反射されて、集光光学系２０に導かれる。集光光学系２０では、合成レーザビームは、主鏡２１の第３通過孔２１ｂを通過して、副鏡２２へ向かう。
【００４４】
この際、合成レーザビームの各円環レーザビームは、そのリング状断面の外径寸法と内径寸法との差（幅寸法）が一定のまま、径寸法が縮小していく。これは、図２に示すように、円錐角θＡが円錐角θＢより大きいため、円環レーザビームはその光軸ＯＡに平行でなく、光軸ＯＡに近づく方向に進行するためである。
【００４５】
また、円錐角θＡと円錐角θＢとの差Δがユニット１１の近接順に大きくなるように、円錐角θＡがユニット１１の近接順に大きくなっている。これにより、第１反射面１５ａ、第２反射面１４ａおよび第３反射面１６ａで反射された円環レーザビームの入射角および反射角は、近接順に小さくなる。よって、ユニット１１の近接順に従って、図３に示すように、第３反射面１６ａで反射された円環レーザビームとその光軸ＯＡとの間の角度（傾き）が大きくなる。このため、第３反射面１６ａから離れるに従って円環レーザビームの径寸法が縮小する割合は、ユニット１１の近接順に大きくなる。
【００４６】
この円環レーザビームの径寸法は、第３反射面１６ａで反射した時点ではユニット１１の近接順に大きくなっている。このため、径寸法が大きい円環レーザビームほど、円環レーザビームの傾きが大きく、その縮小する割合も大きくなる。これにより、第ｎ円環レーザビームは、幅寸法を一定に維持しながら、第３反射面１６ａから離れるにつれて第ｎ−１円環レーザビームよりも径寸法が大きく縮小する。そして、第４反射面２２ａ上において、第ｎ円環レーザビームは、その内径寸法が第ｎ−１円環レーザビームの外径寸法より小さくなり、第ｎ−１円環レーザビームに重なる。この結果、図３のＧ２に示すように、第４反射面２２ａの合成レーザビームでは、円環レーザビームは互いに重なり合う。
【００４７】
そして、合成レーザビームは、凸型の第４反射面２２ａで反射し、拡大する。これにより、各円環レーザビームは、そのリング状断面における径寸法と共に、幅寸法が第４反射面２２ａから離れるに従って大きくなりながら主鏡２１に向かう。このため、図３のＧ３に示すように、主鏡２１の第５反射面２１ａ上の合成レーザビームにおいても円環レーザビームは互いに重なり合う。
【００４８】
合成レーザビームは凹型の第５反射面２１ａで反射して集光する。これにより、図４に示すように、円環レーザビームは、そのリング状断面における径寸法が第５反射面２１ａから離れるに従って小さくなりながら収束する。この際、合成レーザビームにおける各円環レーザビームの焦点距離が異なるため、合成レーザビームはその光軸ＯＡ方向に幅を持って照射される。
【００４９】
具体的には、第５反射面２１ａの曲率半径／第４反射面２２ａの曲率半径を拡大率Ｐとし、第５反射面２１ａから焦点までの距離Ｆを設定する。また、第４反射面２２ａに入射する第ｎ円環レーザビームの角度をαｎとし、第５反射面２１ａに入射する第ｎ円環レーザビームの半径寸法（ここでは、外径半径と内径半径の平均値とする）をｙｎとする。このとき、第５反射面２１ａから出射された第ｎ円環レーザビームと光軸ＯＡとのなす角（傾き）βｎは、βｎ＝ｔａｎ−１（ｙｎ／Ｆ）＋αｎ／Ｐと表せる。これにより、第ｎ円環レーザビームの焦点距離Ｆｎは、Ｆｎ＝ｙｎ／ｔａｎ｛ｔａｎ−１（ｙｎ／Ｆ）＋αｎ／Ｐ｝となる。ここで、円錐角θＡと円錐角θＢとの差Δがユニット１１の近接順に大きくなっているため、入射角度αｎが近接順に大きくなっている。これにより、第ｎ円環レーザビームの焦点までの距離Ｆｎが近接順に短くなる。この結果、合成レーザビームは、光軸ＯＡにおいて広い範囲に亘りある程度高いエネルギー密度を持ってレーザビーム合成装置１００から照射される。
【００５０】
なお、この合成レーザビームの高出力化を図る上で、赤外の波長のレーザビームを出射するレーザ光源１２が用いられることが多い。この場合、レーザビーム合成装置１００で合成されて出射されたレーザビームを肉眼で見ることができない。これに対して、ガイド光源６０から出射された可視光線は、円環レーザビームの光軸ＯＡの光軸および合成レーザビームの光軸に沿って進む。この可視光線に基づいて合成レーザビームの位置を確認することができる。
【００５１】
（作用・効果）
上記実施の形態では、各ユニット１１における反射面１４ａ、１５ａを円錐面とし、この反射面１４ａ、１５ａの円錐角θＡ、θＢの差Δをユニット１１の近接順に大きくしている。これにより、各ユニット１１から出射する円環レーザビームは、伝搬するに従って、外径寸法が減少し、その単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量はユニット１１の近接順に大きくなっている。また、各円環レーザビームは、その幅寸法を一定に維持しながら、内径寸法に対する外径寸法の比（内外径比）が大きくなる。これにより、集光前の主鏡２１上において複数の円環レーザビームを簡単に重ねて、主鏡２１を大きくせずに各円環レーザビームの幅寸法や内外径比を大きくすることができる。このような円環レーザビームをその幅寸法および外径寸法が小さくなるように集光すると、集光したレーザビームの径寸法を小さくすることができる。この結果、レーザビーム合成装置１００の大型化を抑制しながら、照射位置における合成レーザビームのエネルギー密度を高めることができる。
【００５２】
図５（Ａ）は、第５反射面２１ａにおける集光前の円環レーザビームの強度分布（近視野像）を示すグラフである。この図において、破線は内外径比Ｍ＝１．２の円環レーザビームの強度（パワー密度）であり、実線は内外径比Ｍ＝１．５の円環レーザビームの強度である、点線は内外径比Ｍ＝２．０の円環レーザビームの強度である。また、第５反射面２１ａにおける各円環レーザビームの外径寸法およびトータルパワー（強度積分値）を同じに揃えている。なお、各円環レーザビームについて、光源１２から出射されたレーザビームの波長は１．３１５μｍであり、第５反射面２１ａ上における円環レーザビームの外径寸法は４０ｃｍであり、第５反射面２１ａから目標位置までの距離は１０００ｍである。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の各円環レーザビームを集光したレーザビームの強度分布（遠視野像）を示すグラフである。つまり、破線は内外径比Ｍ＝１．２の円環レーザビームを集光したレーザビームの強度であり、実線は内外径比Ｍ＝１．５の円環レーザビームを集光したレーザビームの強度であり、点線は内外径比Ｍ＝２．０の円環レーザビームを集光したレーザビームの強度である。各図において、縦軸はレーザビームの強度を示し、横軸はレーザビームの中心からの距離を示している。
【００５３】
図５（Ｂ）に示すように、遠視野において集光したレーザビームの強度（パワー密度）は、集光前の円環レーザビームの内外径比が大きいほど高くなる。具体的には、図５（Ａ）に示すように、集光前の円環レーザビームの内外径比が小さいほど、円環レーザビームの幅寸法が小さく、強度が大きい。この各円環レーザビームの集光後には、図５（Ｂ）に示すように、各レーザビームにおいて強度が最も大きい主ローブの周囲にサイドローブが発生する。集光前の円環レーザビームの内外径比が小さいほど、集光後のレーザビームにおいてサイドローブの強度が大きくなる。これにより、集光後のレーザビームの強度が分散し、その集光性が低下する。このため、集光前の円環レーザビームの内外径比および幅寸法が大きいほど、集光後のレーザビームの強度が大きくなる。この結果、第５反射面２１ａ上で各円環レーザビームを重ねて、その幅を広くとることによって、集光したレーザビームの径寸法を小さくし、目標位置におけるパワー密度やその時間積分であるエネルギー密度を高めることができる。
【００５４】
また、円錐角θＡ、θＢの差Δをユニット１１の近接順に変化させて、各円環レーザビームの入射角度αｎを予め適切に設定することにより、各円環レーザビームを集光させたレーザビームの焦点距離に差分を設けている。これによって、ある程度高いエネルギー密度を有するレーザビームの照射範囲が光軸ＯＡ上において拡がる。このため、目標位置への測距が困難な場合であっても、レーザビームを目標位置に照射することができる。
【００５５】
また、複数の円環レーザビームを合成することによって、合成レーザビームのエネルギーを高め、合成レーザビームの高出力化を図ることができる。
【００５６】
さらに、各円環レーザビームを同軸に合成しているため、各円環レーザビームが合成レーザビームの光軸ＯＡ上に集光する。よって、光軸ＯＡと垂直な方向における照射範囲の広がりが抑えられるため、光軸ＯＡ上における合成レーザビームのエネルギー密度を高く維持することができる。
【００５７】
また、一対のアキシコンミラー１４、１５およびスクレイパーミラー１６で構成した反射光学系をユニット１１に用いている。これにより、複数の円環レーザビームを合成することができ、これにより合成レーザビームのエネルギーを高めることができる。さらに、透過光学系をユニット１１に用いた場合に生じる熱レンズ効果や出力損失などの問題を排除することができる。この結果、円環レーザビームのエネルギーの低下を防ぎ、焦点における合成レーザビームのエネルギー密度を高く維持することができる。
【００５８】
さらに、ガイド光源６０から可視光線を円環レーザビームの光軸に沿って出射することにより、可視光線が合成レーザビームの中心に位置するため、可視光線に基づいて合成レーザビームの照射位置を目視で確認することができる。
【００５９】
（第２実施の形態）
上記第１の実施の形態に係るレーザビーム合成装置１００では、副鏡２２の曲率半径が副鏡２２に入射する円環レーザビームの外径の半径寸法に比べて、幾何光学的収差の発生を抑えるように十分に大きく設定されている。これにより、レーザビーム合成装置１００は、レーザビームが光軸ＯＡ上において広い範囲にある程度高いエネルギー密度を持って照射される用途に利用され得る。これに対して、さらに高いエネルギー密度を有するレーザビームが必要な場合がある。このため、第２実施の形態に係るレーザビーム合成装置１００では、合成レーザビームにおいて各レーザビームの焦点位置を互いに近づけるように副鏡２２の曲率半径を設定している。図６は、第２実施の形態に係るレーザビーム合成装置１００の集光光学系２０を模式的に示す図である。この図６を参照して、レーザビーム合成装置１００の構成について説明する。
【００６０】
図６に示すように、副鏡２２の第４反射面２２ａの曲率半径Ｒｓが、第４反射面２２ａに入射する円環レーザビームの外径の最大半径寸法Ｒｏ（円環レーザビームが複数ある場合、その最大値）に対して、たとえば、Ｒｓ＜１０×Ｒｏになるように設定される。また、主鏡２１の第５反射面２１ａおよび副鏡２２の第４反射面２２ａは放物面でそれぞれ形成される。このような第５反射面２１ａおよび第４反射面２２ａで円環レーザビームが反射することによって、幾何光学的収差が発生し、各円環レーザビームの焦点位置を互いに近づけることができる。
【００６１】
具体的には、第５反射面２１ａの曲率半径／第４反射面２２ａの曲率半径を拡大率Ｐとし、第５反射面２１ａと第４反射面２２ａとの間の距離により第５反射面２１ａから焦点までの距離Ｆを設定する。また、第４反射面２２ａに対する第ｎ円環レーザビームの入射角度をαｎとし、第５反射面２１ａに入射する第ｎ円環レーザビームの半径寸法（ここでは、外径半径と内径半径の平均値）をｙｎとし、第ｎ円環レーザビームに対する幾何光学的収差をγｎとする。このとき、第５反射面２１ａから出射した第ｎ円環レーザビームの光軸ＯＡに対する傾きβｎは、βｎ＝ｔａｎ−１（ｙｎ／Ｆ）＋αｎ／Ｐ−γｎと表せる。これにより、第ｎ円環レーザビームの焦点距離Ｆｎは、Ｆｎ＝ｙｎ／ｔａｎ｛ｔａｎ−１（ｙｎ／Ｆ）＋αｎ／Ｐ−γｎ｝と表せる。ここで、αｎ／Ｐ−γｎを相殺するように、各入射角度αｎおよび/または各幾何光学的収差γｎを設定する。この結果、αｎ／Ｐ−γｎ＝０となるため、Ｆｎ＝Ｆとなり、すべてのｎについて焦点距離は一致する。
【００６２】
合成レーザビームにおいて第４反射面２２ａに対する円環レーザビームの入射角度αｎに差があると、円環レーザビームの傾きβｎが相違するため、集光したレーザビームの焦点距離が異なる。これに対して、幾何光学的収差γｎにより入射角度αｎの差を相殺することにより、傾きβｎの差が小さくなり、円環レーザビームの焦点距離が一致させることができる。たとえば、円環レーザビームの入射角度αｎが大きいほど、主鏡２１の第５反射面２１ａで反射された円環レーザビームの傾きβｎが大きく、焦点距離Ｆｎが短くなる。これに対して、幾何光学的収差γｎが発生すると、径寸法が大きくて光軸ＯＡから離れた位置で反射した光ほど反射角が大きくなり、第５反射面２１ａで反射された円環レーザビームの傾きβｎが小さくなる。この結果、入射角度αｎの差が幾何光学的収差γｎにより打ち消され、各円環レーザビームの焦点距離Ｆｎが等しくなり、各円環レーザビームを一点に集光する。これにより、合成レーザビームの照射面積が小さくなるため、合成レーザビームのエネルギー密度やパワー密度をさらに高めることができる。
【００６３】
また、合成レーザビームのエネルギー密度が向上することによって、合成レーザビームを有効に照射できる距離を長くすることができる。具体的には、図７（Ａ）は、第５反射面２１ａにおいて円環レーザビームがそれぞれ重ならない場合における、第５反射面２１ａ上の円環レーザビームの径寸法を表したグラフの一例である。図７（Ｂ）は、第５反射面２１ａにおいて円環レーザビームがそれぞれ重なる場合における、第５反射面２１ａ上の円環レーザビームの径寸法を表したグラフの一例である。いずれに図においても、縦軸が円環レーザビームの外径および内径の半径寸法を示し、横軸が整形光学ユニット番号を示している。整形光学ユニット番号はユニット１１の近接順につけられており、整形光学ユニット番号が大きくなるほど副鏡２２に近くなる。この場合、６つのユニット１１を用いた。また、いずれに図においても、丸マークは第５反射面２１ａにおける円環レーザビームの外径の半径寸法を表し、四角マークは第５反射面２１ａにおける円環レーザビームの内径の半径寸法を表している。なお、図７（Ｂ）の場合では、第１反射面１５ａの円錐角θＡと第２反射面１４ａの円錐角θＢとの差Δが、整形光学ユニット番号の順（つまり、ユニット１１の近接順）に、０．００８、０．０１４、０.０２０、０．０２６、０．０３２、０．０３８に設定されている。図８は、焦点距離とエネルギー密度比との関係を示すグラフである。縦軸は、合成レーザビームのエネルギー密度比を示し、横軸は、合成レーザビームの焦点距離を表している。このエネルギー密度比は、図７（Ａ）で示す場合の合成レーザビームのエネルギー密度に対する、図７（Ｂ）で示す場合の合成レーザビームのエネルギー密度の比率であって、たとえば、２〜４．５である。
【００６４】
円環レーザビームが互いに重ならない場合には、図７（Ａ）において各ユニット１１の円マークと四角マークとの差で示されるように、各円環レーザビームの幅寸法は小さくなる。これに対して、円環レーザビームが互いに重なる場合には、図７（Ｂ）において各ユニット１１の円マークと四角マークとの差で示されるように、各円環レーザビームの幅寸法（光束の断面積）を大きくすることができる。これにより、図７（Ｂ）に示す場合には、集光した合成レーザビームの径寸法が小さくなり、合成レーザビームのエネルギー密度が大きくなる。この結果、図７（Ａ）の合成レーザビームに比べて図７（Ｂ）の合成レーザビームは、焦点距離を大きくした場合のエネルギー密度の減衰が少ない。このため、図８に示すように、合成レーザビームの焦点距離が長くなるにつれて、エネルギー密度比が増加する。このように、合成レーザビームは、そのエネルギー密度が大きいものほど、焦点距離（すなわち、有効に照射できる距離）を長くすることができる。
【００６５】
（第３実施の形態）
上記第１および第２実施の形態では、一対のアキシコンミラー１４、１５で構成される反射光学系をユニット１１に用いた。これに対して、第３の実施の形態では、透過光学系をユニット１１に用いている。図９は、第３実施の形態に係るレーザビーム合成装置１００を模式的に示す図である。図１０は、一対のアキシコンレンズ５１、５２の円錐角θＣ、θＤの関係を示す図である。この図９および図１０を参照して、レーザビーム合成装置１００の構成について説明する。
【００６６】
図９に示すように、ユニット１１は、一対のアキシコンレンズ５１、５２およびスクレイパーミラー１６を備えている。一対のアキシコンレンズは、第１アキシコンレンズ５１および第２アキシコンレンズ５２により構成されており、屈折率が同じ材料が用いられている。第１アキシコンレンズ５１は、第１アキシコン光学系であって、第２アキシコンレンズ５２よりレーザ光源１２側に位置し、円形平面状の入射面（第１入射面５１ａ）および円錐面の射出面（第１射出面５１ｂ）を有している。第１射出面５１ｂは、入射したレーザビームの径寸法を拡大して円環レーザビームを出射する円錐面である。第２アキシコンレンズ５２は、第２アキシコン光学系であって、第１アキシコンレンズ５１とスクレイパーミラー１６との間に位置し、円錐面の入射面（第２入射面５２ａ）および円形平面状の射出面（第２射出面５２ｂ）を有している。第２入射面５２ａは、第１アキシコンレンズ５１から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小する円錐面である。一対のアキシコンレンズ５１、５２は、第１射出面５１ｂと第２入射面５２ａとが対向し、その円錐の軸が一致するように配置されている。
【００６７】
図１０に示すように、第１射出面５１ｂの円錐角θＣおよび第２入射面５２ａの円錐角θＤは鈍角であって、円錐角θＣは円錐角θＤよりわずかに大きく、その差は、たとえば、０．００５〜０．５°である。第１射出面５１ｂの円錐角θＣは、第１射出面５１ｂにおける円錐の回転軸と円錐の母線との間の角度θｃの２倍である。円錐角θＤは、第２入射面５２ａにおける円錐の回転軸と円錐の母線との間の角度θｄの２倍である。なお、この実施の形態では、各ユニット１１における円錐角θＣが円錐角θＤより大きいが、第１ユニット１１ａでは円錐角θＣが円錐角θＤと等しくてもよい。この場合、円錐角θＣと円錐角θＤとの差Δは０になる。
【００６８】
各ユニット１１において、図９に示すように、円錐角θＣと円錐角θＤとの差Δが副鏡２２に近いほど大きくなるように設定されている。つまり、第ｎ−１ユニット１１における差Δは、第３反射面１６ａの出射方向側に設けられた第ｎユニットにおける差Δより小さくなっている。また、各ユニット１１において一対のアキシコンレンズ５１、５２は、第１射出面５１ｂと第２入射面５２ａとの間の寸法が副鏡２２に近いユニット１１ほど大きくなるように配置されている。さらに、各ユニット１１において第２アキシコンレンズ５２の径寸法は副鏡２２に近いユニット１１ほど大きくなるように形成されている。
【００６９】
スクレイパーミラー１６の第２通過孔１６ｂは、第３反射面１６ａに対して４５°に傾く方向から開けられている。第２通過孔１６ｂの径寸法は、第２射出面５２ｂから出射された円環レーザビームの内径寸法より小さく設定されている。スクレイパーミラー１６は、入射面における第２通過孔１６ｂの中心が第２入射面５２ａの軸の軸上にあり、第３反射面１６ａが第２入射面５２ａの軸に対して４５°で傾斜し、さらに、第２通過孔１６ｂが第２入射面５２ａの軸に対して直交するように配置されている。
【００７０】
上記レーザビーム合成装置１００では、各ユニット１１において、中実レーザビームがレーザ光源１２から出射される。中実レーザビームは、第１入射面５１ａから第１アキシコンレンズ５１に入射して、第２射出面５２ｂから出射する。この際、中実レーザビームの光軸が第１射出面５１ｂの軸に一致する。このため、中実レーザビームは、円錐形状の第１射出面５１ｂの軸に対して線対称で、この軸からの距離に関わらず一定の角度で屈折する。これにより、中実レーザビームは円環状レーザビームに変換されて、円環レーザビームは拡大しながら第２入射面５２ａに向かって進む。
【００７１】
そして、円環レーザビームは、第２入射面５２ａから第２アキシコンレンズ５２に入射する。この際、円環レーザビームは、円錐形状の第２入射面５２ａの軸に対して線対称で、この軸からの距離に関わらず一定の角度で屈折する。この場合、第１射出面５１ｂの円錐角θＣが第２入射面５２ａの円錐角θＤよりわずかに大きいため、第１射出面５１ｂにおける屈折角が第２射出面５２ｂにおける屈折角よりわずかに小さい。これにより、円環レーザビームは、そのリング状断面の幅寸法が一定のまま、径寸法が縮小していく。
【００７２】
この第２射出面５２ｂから出射した円環レーザビームは、スクレイパーミラー１６において第２通過孔１６ｂの周りの第３反射面１６ａに当たって、第２射出面５２ｂの軸に対して直交する方向へ反射される。この際、各ユニット１１の第３反射面１６ａは、その中心がガイド線上に並び、かつ、傾斜角が等しい。このため、各ユニット１１の第３反射面１６ａで反射された円環レーザビームは、その断面の円の中心が一致して、同軸で進む。
【００７３】
また、各ユニット１１において第１射出面５１ｂと第２入射面５２ａとの間の寸法は、副鏡２２に近いユニット１１ほど大きくなっている。このため、副鏡２２に近いユニット１１から出射された円環レーザビームの径寸法が大きくなる。これにより、図９のＧ４に示すように、各ユニット１１から出射された直後の円環レーザビームは、その断面が同心円であって、第ｎ円環レーザビームが第ｎ−１レーザビームを取り囲む形状を有している。
【００７４】
さらに、各ユニット１１において円錐角θＣと円錐角θＤとの差が大きいほど、円環レーザビームとその光軸ＯＡとの間の角度（傾き）が大きくなる。この差は副鏡２２に近いユニット１１ほど大きいため、副鏡２２に近いユニット１１から出射された円環レーザビームほど、その径寸法が大きく、かつ、径寸法が大きく縮小する。よって、副鏡２２の第４反射面２２ａおよび主鏡２１の第５反射面２１ａにおいて、合成レーザビームの円環レーザビームは互いに重なり合う。そして、この合成レーザビームは、凹型の第５反射面２１ａで反射して集光しながら、レーザビーム合成装置１００から出射される。
【００７５】
なお、一対のアキシコンレンズ５１、５２における円環レーザビームの屈折角は、レンズ５１、５２の屈折率および円錐角θＣ、θＤにより決まる。よって、各ユニット１１において円錐角θＣ、θＤを等しくし、アキシコンレンズ５１、５２の屈折率の差をユニット１１の近接順に変えることによって、円環レーザビームの屈折角を変化させてもよい。
【００７６】
（その他の実施の形態）
上記実施の形態１では、レーザビーム合成装置１００にガイド光源６０を設けたが、ガイド光源６０を設けなくてもよい。また、実施の形態２および３に係るレーザビーム合成装置１００にガイド光源６０を設けてもよい。
【００７７】
上記全ての実施の形態では、各ユニット１１において第１アキシコン光学系１５、５１の円錐角θＡ、θＣと第２アキシコン光学系１４、５２の円錐角θＢ、θＣの差をユニット１１の近接順に大きくなるように設定した。これに対して、各ユニット１１におけるスクレイパーミラー１６の反射面１６ａを、その反射面１６ａで反射された円環レーザビームを円形に保つような楕円錐面とし、その反射面１６ａの円錐角をユニット１１の近接順に小さくなるように設定してもよい。
【００７８】
具体的には、スクレイパーミラー１６の反射面１６ａは、アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小して当該円環レーザビームの進路を変更する楕円錐面である。反射面１６ａは、楕円錐形状に窪み、この頂点がスクレイパーミラー１６の中心に位置するように形成されている。反射面１６ａでは楕円錐面の長径および短径がユニット１１ごとに異なり、楕円錐面の長径側および短径側の両方の円錐角が集光光学系２０に近いユニット１１ほど小さくなっている。なお、第１ユニット１１ａにおけるスクレイパーミラー１６の反射面１６ａは平面で形成されていてもよい。また、反射面１６ａを楕円錐面としたが、反射面１６ａで反射された円環レーザビームが円形に保たれれば、反射面１６ａは円錐面であってもよい。
【００７９】
これにより、窪んだ楕円錐形状の反射面１６ａで反射された円環レーザビームは、その幅寸法を一定に維持し、外径寸法が減少しながら伝搬する。この反射面１６ａの円錐角がユニット１１の近接順に小さくなるため、円環レーザビームの単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量はユニット１１の近接順に大きくなっている。また、反射面１６ａにおける円環レーザビームの外径寸法はユニット１１の近接順に大きい。したがって、反射面１６ａから入射した円環レーザビームは、集光前の第４反射面２２ａおよび第５反射面２１ａにおいて互いに重なり合う。よって、第５反射面２１ａの径寸法を大きくすることなく、集光前の円環レーザビームの幅寸法や内外径比を大きくすることができる。この結果、このような円環レーザビームを第５反射面２１ａで反射して、その幅寸法および外径寸法が小さくなるように集光すると、集光したレーザビームの径寸法が小さくなり、そのエネルギー密度やパワー密度を高めることができる。
【００８０】
なお、アキシコン光学系は、入射したレーザビームを円環レーザビームにして出射する円錐面を有する光学系である。アキシコン光学系として、たとえば、凸型アキシコンミラー１５、凸型アキシコンミラー１５および凹型アキシコンミラー１４の一対の光学系、第１アキシコンレンズ５１、ならびに、第１アキシコンレンズ５１および第２アキシコンレンズ５２の一対の光学系が用いられる。
【００８１】
なお、中実レーザビームを円環レーザビームに整形して出射する出射光学系は、一対のアキシコン光学系１４、１５、５１、５２に限らない。たとえば、このアキシコン光学系に代えてスクレイパーミラーを出射光学系として用いることもできる。このスクレイパーミラーは、平板状であって、その中央部に貫通孔を有している。このため、レーザ光源１２からスクレイパーミラーに中実レーザビームを出射すると、中実レーザビームはスクレイパーミラーを通過するとき、その中央部が除去されて円環レーザビームに変換される。
【００８２】
上記全ての実施の形態では、スクレイパーミラー１６は、その第３反射面１６ａが第２反射面１４ａの軸に対して４５°で傾斜するように配置されていた。ただし、この傾斜角度は、４５°に限定されない。たとえば、各ユニット１１の配置に合わせて傾斜角度を変えることができる。これにより、レーザビーム合成装置１００における各部の配置の自由度が高まり、また、レーザビーム合成装置１００の小型化が図られる。
【００８３】
上記全ての実施の形態では、各ユニット１１から出射された直後の合成レーザビームでは、第ｎレーザビームが第ｎ−１円環レーザビームを取り囲んでいた。これに対して、各ユニット１１からの出射直後における合成レーザビームにおいて、第ｎ円環レーザビームと第ｎ−１レーザビームとが重なっていてもよい。
【００８４】
上記全ての実施の形態では、主鏡２１の第５反射面２１ａにおいて径が最も小さいレーザビームは、断面がリング状の円環レーザビームであったが、中実レーザビームであってもよい。
【００８５】
また、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
【００８６】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明のレーザビーム合成装置は、高エネルギー密度や高パワー密度の照射性能向上を図ったレーザビーム合成装置等として有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１００  レーザビーム合成装置
１１    整形光学ユニット
１４    凹型アキシコンミラー（第２アキシコン光学系、アキシコン光学系、出射光学系）
１４ａ  第２反射面
１４ｂ  第１通過孔
１５    凸型アキシコンミラー（第１アキシコン光学系、アキシコン光学系、出射光学系）
１５ａ  第１反射面
１６    スクレイパーミラー（反射光学系）
１６ａ  第３反射面
１６ｂ  第２通過孔
２０    集光光学系
２１    主鏡
２１ａ  第５反射面
２１ｂ  第３通過孔
２２    副鏡
２２ａ  第４反射面
３０    縮小光学系
５１    第１アキシコンレンズ（第１アキシコン光学系、アキシコン光学系、出射光学系）
５１ａ  第１入射面
５１ｂ  第１射出面
５２    第２アキシコンレンズ（第２アキシコン光学系、アキシコン光学系、出射光学系）
５２ａ  第２入射面
５２ｂ  第２射出面
６０    ガイド光源
【要約】
【課題】高エネルギー密度や高パワー密度の照射性能向上を図ったレーザビーム合成装置100を提供する。
【解決手段】レーザビーム合成装置100は、単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なる円環レーザビームを出射する複数の整形光学ユニット11を備え、前記各整形光学ユニットは、伝搬するに従って、前記外径寸法が減少すると共に内径寸法に対する外径寸法の比が大きくなる前記円環レーザビームを整形し、前記各整形光学ユニットは、出射する円環レーザビームが同心状となるように配置されている。
【選択図】図１【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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