(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームの光路上に少なくとも１面が非球面形状を有する一枚の非球面レンズを設け、この非球面レンズは、滑らかな曲面を有するとともに、その曲率は全面に渡って均一に存在する収束性球面曲率成分と局所的な発散性曲率成分の和であり、上記局所的発散性曲率成分は、上記非球面レンズ上における上記レーザビームのビーム強度分布に比例するものであり、上記非球面レンズからのレーザビームを加工点へ導くよう設けられたビーム伝送光学系が、上記非球面レンズの収束性球面曲率成分に対応する焦点位置を上記加工点に転写するビーム伝送光学系であることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
ビーム伝送光学系は、レーザビームの拡大、縮小を行うズーム光学系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】
レーザ共振器を構成する部分反射鏡の外面を非球面形状とし、この非球面形状は、滑らかな曲面を有するとともに、その曲率は全面に渡って均一に存在する収束性球面曲率成分と局所的な発散性曲率成分の和であり、上記局所的発散性曲率成分は、上記レーザ共振器内の上記部分反射鏡上におけるレーザビームのビーム強度分布に比例するものであることを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ装置に関し、特にレーザビームの強度分布を均一にするビーム成形機能を備えたレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、例えば佐藤他、“ＣＯ2 レーザ加工技術”、日刊工業新聞社（１９９２）に示された従来のレーザ装置を示す図である。図において、１１はレーザ発振器、１２はレーザ発振器１１から出射されるレーザビーム、１６はビーム成形を行なうインテグレーションミラーである。
【０００３】
従来のレーザ装置は以上のように構成されており、レーザ発振器１１から出射されるレーザビーム１２は、安定型共振器によって発生するラゲールもしくはエルミートガウシアンモードであることが多い。大出力の場合には、不安定型共振器を用いたリング状のビームが用いられる場合もある。表面焼入れや穴開け加工においては、このようなビーム形状ではなく、平坦な強度分布を有するフラットビームが要求されることが多い。このような用途のために、ビーム形成を行なう光学系としてインテグレーションミラー１６が用いられている。このインテグレーションミラー１６の他にもフライアイレンズやカライドスコープ等のビームインテグレータが用いられる場合もある。インテグレーションミラー１６に入射したレーザビームは、一旦多数に分割され、所定の位置において重ね合わされることによって、均一な強度分布を有するビームに成形される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のレーザ装置においては、空間的コヒーレンシーの高いレーザビームを重ね合わせるために、成形後のビームは巨視的には均質化されるものの、微視的には干渉効果によってリップルが発生し、加工不具合を引き起こすという問題点がある。また、インテグレータを通過した後のビーム品質が大きく劣化し、発散角が大きくなり、ビーム伝送系に口径の大きなものが必要になる、焦点深度が浅いなどの問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、強度分布が均一で発散角が小さくリップル等を含まない良質のビームを生成するとともに、ビームを利用する際の自由度を大きくとることができるレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の構成であるレーザ装置においては、レーザビームの光路上に少なくとも１面が非球面形状を有する一枚の非球面レンズを設け、この非球面レンズは、滑らかな曲面を有するとともに、その曲率は全面に渡って均一に存在する収束性球面曲率成分と局所的な発散性曲率成分の和であり、上記局所的発散性曲率成分は、上記非球面レンズ上における上記レーザビームのビーム強度分布に比例するものであり、上記非球面レンズからのレーザビームを加工点へ導くよう設けられたビーム伝送光学系が、上記非球面レンズの収束性球面曲率成分に対応する焦点位置を上記加工点に転写するビーム伝送光学系であるようにしたものである。
【０００８】
本発明の第２の構成であるレーザ装置においては、ビーム伝送光学系を、レーザビームの拡大、縮小を行なうズーム光学系としたものである。
【０００９】
本発明の第３の構成であるレーザ装置においては、レーザビームは一枚の部分反射鏡を含むレーザ共振器より発生されるレーザビームであって、上記レーザ共振器を構成する上記部分反射鏡の外面を非球面形状とし、共振器の上記部分反射鏡と非球面レンズを一体化したものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１であるレーザ装置の構成を示す図であり、図において、１１はレーザ発振器、１２はレーザ発振器１１から出射されるレーザビーム、１３は非球面レンズであって、全面に渡って均一に存在する収束性球面曲率成分と、設置位置におけるビーム強度分布に比例する局所的な発散性曲率成分の和を曲率とする滑らかな曲面を有する。
【００１２】
上記のように構成されたレーザ装置において、非球面レンズ１３の曲率が、全面に渡って均一に存在する収束性球面曲率成分と、非球面レンズ１３上におけるビーム強度分布に比例する局所的な発散性曲率成分の和であるため、局所的な各点におけるビームはビーム強度分布に比例する発散性曲率成分に応じて拡大されることになる。この結果、収束性球面曲率成分に対応する焦点位置において、局所的な各点を起源とするビームは等しいパワー密度に揃えられることになる。ここで、非球面レンズ１３が滑らかな曲面を有することから、局所的な各点を起源とするビームは重なり合うことなく、ちょうど接し合うように配置されることになる。結果として、収束性球面曲率成分に対応する焦点位置において均一な強度分布を有するビームが得られる。このビームは、ビームの重ね合わせによるリップル等は存在せず、発散角も非常に小さいものとなる。
【００１３】
図２に、非球面レンズ１３によるレーザビーム強度の均一化の原理を説明する。非球面レンズの均一な収束性球面曲率成分の収束パワーをＰ+ 、ビーム強度分布に比例する局所的な発散性曲率成分のパワーをＰ-(ｒ) 、非球面レンズ位置でのビーム強度分布をＤ1(ｒ) 、収束性球面曲率成分に対応する焦点位置におけるビーム強度分布をＤ2(ｒ) 、同焦点位置からビームの収束位置までの距離をｆ′ (ｒ)とすると、ｆ+ ＝１／Ｐ+ ，ｆ(ｒ)＝１／（Ｐ+−Ｐ-(ｒ)），ｆ′(ｒ)＝ Ｍ (ｒ)・ｆ(ｒ)として、非球面レンズの構成から、
Ｐ-(ｒ)＝ＫＤ1(ｒ)                （Ｋは比例定数）    ………（１）
ビーム強度比の幾何学的関係から、
Ｄ2(ｒ)＝Ｄ1(ｒ)／Ｍ(ｒ)                              ………（２）
と表すことができ、
Ｍ(ｒ)=ｆ′(ｒ)/ｆ(ｒ)=(ｆ(ｒ)−ｆ+))/ｆ(ｒ)=Ｐ-(ｒ)/Ｐ+  ……（３）
の関係から、
D2(r)=D1(r)/M(r)=(P-(r)/K)/(P-(r)/P+)=P+/K=const of r     ……（４）
が成立つ。すなわち、局所的発散パワーＰ-(ｒ) が非球面レンズ位置のビーム強度分布Ｄ1(ｒ) に比例していれば、非球面レンズからｆ+ の位置でのビーム強度分布Ｄ2(ｒ) は均一となる。この関係は任意のＫについて成立ち、Ｋの値を変えると均一ビームの得られる位置（ｆ+ ）でのビーム断面径が変わる。
【００１４】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２であるレーザ装置の構成を示す図であり、図において、２１はレーザ共振器を構成する全反射鏡、２２は同じくレーザ共振器を構成する部分反射鏡、２３はビームを制限する開口である。
【００１５】
実施の形態１においては、レーザ共振器から離れた位置に均一化を行なう非球面レンズを設置したが、図３に示すように部分反射鏡２２の外面をビーム均一化を行う非球面形状としてもよい。共振器の部分透過鏡とビーム均一化を行う非球面レンズを一体化することによって、非球面レンズとレーザビーム軸のアライメントが不要になり、安定したビーム成形が得られる。また、部品点数の削減により、装置の簡略化が図れる。
【００１６】
参考例１．
図４は本発明に関連した参考例１であるレーザ装置の構成を示す図である。図において、１はレーザ共振器を構成する全反射鏡、２は同じくレーザ共振器を構成する部分反射鏡、３はビームを制御する開口である。
【００１７】
上記のように構成されたレーザ装置は、全反射鏡１および部分反射鏡２は凹球面鏡であり、その曲率および設置間隔は共焦点の負枝不安定型共振器を構成するとともに、拡大率は１に近い値に設定されている。共焦点の負枝不安定型共振器においては、１点から出た光が共振器を一周したとき再び１点に収束する再起的共役点に開口３を設置すれば、開口３で制限されたレーザビームは、共振器を周回することによって開口３内部のビームの拡大像を開口３の位置に再起的に結像する。このとき、拡大作用が繰り返され、開口３中央部にあった光が開口３全体に拡がることによって、開口３の位置において均一な強度分布を有するビームが成立する。このビームは位相の揃った単一モードであり、ビームの重ね合わせによるリップル等は存在せず、回折限界の品質を有する。このレーザビームを部分反射鏡２から取り出し、外部に設けたレンズ等による光学系を用いて、開口３の像をワーク上に転写することによって均一な強度分布を有するビームを利用することが可能となる。また、上記から明かなように、開口の形を選ぶことによって、例えば四角形等の任意の形状のビームを利用することが可能である。
【００１８】
実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３であるレーザ装置の構成を示す図であり、図において、１１はレーザ発振器、１２はレーザ発振器１１から出射されるレーザービーム、１７はズーム転写光学系を構成するレンズ群、１８はレーザビームの照射対象となるワークである。
【００１９】
一般に、均一強度分布を有するレーザビームは光軸上の１点でのみ実現されるものであって空間伝搬とともに形が崩れる。このため、照射点を自由な位置に設定することに制限がある。ここで、結像光学系を利用し、均一なビーム強度分布を有する点１５をワーク１８上へ転写することによって、照射点を自由な位置に設定することができるとともに、拡大もしくは縮小転写によって照射ビームの大きさ、照射パワー密度を調整することが可能となり、加工の自由度を大きくとることができる。ここでは、非球面レンズを使用して均一ビームを得る例を示したが、負枝不安定型共振器を使用した場合でも同様である。
【００２０】
実施の形態４．
前記の構成のレーザ装置をＣＯ2 レーザで構成すると、ＣＯ2 レーザは比較的発振波長が長いため、レーザ共振器の製作に高精度を要さず、特にビーム均一化を行なう非球面レンズを用いる構成においては、非球面レンズの製作精度がいらないという利点がある。例えば、可視のレーザに対して２０倍程度の製作裕度があり、光学研摩によらず一般的な機械加工で充分な精度を得ることができる。また、共振器内のビーム径を大きくできるため、負枝不安定型共振器を用いる構成においては共振器内の開口を照射するビームの密度を低くすることが可能となる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の第１の構成に係るレーザ装置によれば、レーザビームの光路上に少なくとも１面が非球面形状を有する一枚の非球面レンズを設け、この非球面レンズは、滑らかな曲面を有するとともに、その曲率は全面に渡って均一に存在する収束性球面曲率成分と局所的な発散性曲率成分の和であり、上記局所的発散性曲率成分は、上記非球面レンズ上における上記レーザビームのビーム強度分布に比例するようにし、上記非球面レンズからのレーザビームを加工点へ導くよう設けられたビーム伝送光学系が、上記非球面レンズの収束性球面曲率成分に対応する焦点位置を上記加工点に転写するビーム伝送光学系であるようにしたので、少ない部品点数により、加工点において強度分布が均一でリップル等を含まないレーザビームが得られるいう効果が得られる。
【００２２】
本発明の第２の構成に係るレーザ装置によれば、ビーム伝送光学系を、レーザビームの拡大、縮小を行うズーム光学系としたので、強度分布が均一で発散角が小さくリップル等を含まないレーザビームが得られるとともに、レーザビームが均一な強度分布となる位置を自由に設定することができ、ビーム断面の大きさを自由に変えることができるという効果が得られる。
【００２３】
本発明の第３の構成に係るレーザ装置によれば、レーザビームは一枚の部分反射鏡を含むレーザ共振器より発生されるレーザビームであって、上記レーザ共振器を構成する上記部分反射鏡の外面を非球面形状とし、共振器の上記部分反射鏡と非球面レンズを一体化したので、強度分布が均一で発散角が小さくリップル等を含まないレーザビームが得られるとともに、アライメントが簡略化され、部品点数が削減できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１であるレーザ装置の構成を示す図である。
【図２】  非球面レンズによるレーザビーム強度の均一化の原理を説明するための図である。
【図３】  本発明の実施の形態２であるレーザ装置の構成を示す図である。
【図４】  本発明に関連する参考例１であるレーザ装置の構成を示す図である。
【図５】  本発明の実施の形態３であるレーザ装置の構成を示す図である。
【図６】  従来のレーザ装置を示す図である。
【符号の説明】
１，２１  全反射鏡、２，２２  部分反射鏡、３，２３  開口、１１  レーザ発振器、１２  レーザビーム、１３  非球面レンズ、１６  インテグレーションミラー、１７  ズームレンズ、１８  ワーク。
【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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