(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高次横モードのレーザビームを、強度がガウシアン分布をなすビームに変換するべく、前記ビームの光軸を中心として該光軸に直交する面に形成された回折格子よりなるバイナリーオプティックスに於て、
前記ビームの各領域の位相をそのモード次数に応じて反転させて該各領域の位相が一致するように、当該バイナリーオプティックスの各領域の厚みを前記ビームの前記各領域の元の位相に応じて変えたことを特徴とするバイナリーオプティックス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高次横モードのレーザビームを、強度がガウシアン分布をなすビームに変換するためのバイナリーオプティックスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、レーザ発振器を用いてレーザ加工を行う方法としてはレーザ光を集束して照射する方法が用いられている。このような用途に用いられるレーザビームは、その光強度の空間分布を表す横モードがきれいなガウシアン分布を有するＴＥＭ００モードとなっていることが望ましく、このビームを例えばガラス基板の表面に刻まれた回折格子により集光するバイナリーオプティックスにより集光させて照射することとなる。
【０００３】
ここで、バイナリーオプティックスは、その断面構造が光の波長オーダーの階段状となっており、進行する光の波面は階段の厚みの違いによりその進行方向が変えられる。即ち、光の透過長が隣の階段と異なるために、光の位相がずれ、光の干渉効果により回折して光路が曲げられる。階段の繰り返しピッチは光路長を一波長だけ違える幅として与えられる。例えばＹＡＧレーザ光を集光する目的のバイナリーオプティックスはその階段構造として幅が数μｍ、厚さが１μｍ程度のものである。例えば同心円状のパターンからなるバイナリーオプティックス１１は凸レンズのような単レンズの機能を有している。凸レンズ機能のバイナリーオプティクスは、入射した平行光線を一点につまり焦点に集めるように働く（例えば、Ｇ．  Ｊ．  Ｓｗａｎｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，  ＵＳ  Ｐａｔｅｎｔ  ４８９５７９０，  （１９９０）参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したレーザ発振器にあっては、特にレーザ出力が大きくなると、高次のモードで発振しやすく、中心にて２つに分割されたＴＥＭ１０モードや４つに分割されたＴＥＭ１１モード、更にマトリックス状の斑点模様の形状を有するＴＥＭｎｍモードになり、ビームクォリティーが低下しがちである。このようなモードのレーザ光はうまく集束させることが困難であった。
【０００５】
そこで、本出願人による特願平７−３０５０９０号明細書に記載されているように、上記したバイナリーオプティックスのピッチやパターンを光の横モードに応じて形成することで、所望のビーム形状に近い形状とすることができる。しかしながら、ＴＥＭｎｍモードでは互いに隣接するピークの電界振幅の符号が異なることから、その間の振幅０となる暗部を埋めることが困難であり、その改善が望まれていた。
【０００６】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたもので、ＴＥＭｎｍモードのレーザビームを可及的にＴＥＭ００モードに近い強度分布、即ちきれいなガウシアン分布のレーザビームに変換することが可能な光学素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、高次横モードのレーザビームを、強度がガウシアン分布をなすビームに変換するべく、前記ビームの光軸を中心として該光軸に直交する面に形成された回折格子よりなるバイナリーオプティックスに於て、前記ビームの各領域の位相をそのモード次数に応じて反転させて該各領域の位相が一致するように、当該バイナリーオプティックスの各領域の厚みを前記ビームの前記各領域に応じて変えたことを特徴とするバイナリーオプティックスを提供する。
ここで、ビームクォリティーファクターＭ２はニアフィールドとファーフィールドとのビーム幅（ビームプロフィールの標準偏差σ０、σｓ）の積に比例するものとして定義される。
【０００８】
【数１】
0003549331.tif 000002
【０００９】
ニアフィールドの電界振幅をＥ０（ｘ）とファーフィールドの分布Ｐ（ｓ）とから、
【００１０】
【数２】
0003549331.tif 000003
【数３】
0003549331.tif 000004
【００１１】
ここで、伝播角θ（光軸とのなす角）、光の波長λを使って、
【数４】
0003549331.tif 000005
【００１２】
ところが、Ｐ（ｓ）はＥ０（ｘ／２π）のフーリエ変換であると考えられるから、
【数５】
0003549331.tif 000006
となる。
【００１３】
具体的にガウシアンビームの場合、その電界振幅は、
【数６】
0003549331.tif 000007
となる。
【００１４】
ニアフィールドでは、
【数７】
0003549331.tif 000008
となる。
【００１５】
また、スポットサイズパラメータω（ｚ）は、
【数８】
0003549331.tif 000009
【００１６】
として与えられるから、ファーフィールドの分布Ｐ（ｓ）は、
【数９】
0003549331.tif 000010
【００１７】
となる。また、Ｐ（ｓ）は、
【数１０】
0003549331.tif 000011
【００１８】
のフーリエ変換と考えられる。規格化定数を考えて、
【数１１】
0003549331.tif 000012
【数１２】
0003549331.tif 000013
【００１９】
従って、
【数１３】
0003549331.tif 000014
となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１に本発明が適用されたレーザ加工装置の要部構成を示す。例えば平均出力１００Ｗのレーザ加工用のＮｄ：ＹＡＧレーザの共振器１から出力された光は焦点距離の異なる２枚のレンズの組合せで構成されるビーム拡大器２を介して拡大され、平行光に変換された後、本発明のバイナリーオプティックス３に入射するようになっている。このレーザ光はビーム形状が円形をなし、その光軸がバイナリーオプティックス３の中心Ｏと一致するように入射するものとする。そして、ビーム変形された光は平行光にするためのバイナリーオプティックス４を介してビーム改質装置５にて平行光にし難い低質成分が除去され、公知のレーザ加工に用いられることとなる。
【００２１】
ここで、共振器１内にはビームの横モードを固定するためのアパチャー部材１０が設けられている。これは共振器１から出力されるビームの横モードをリングモード等時間的に変化するモードではなく固定された１つのＴＥＭｎｍモードとするべく、固定するべきモードに応じた形状及び数の開口を設けた遮蔽部材である。本形態ではＴＥＭ０１モードに固定するべく図２に示すように、共振器１のリヤミラー１ａとアウトプットミラー１ｂとの間に楕円形の開口のアパチャー部材１０を設けている。これ以外に、例えば図３に示すような光軸を中心とする４つの開口を有するアパチャー部材２０によりＴＥＭ１１モードに固定したり、図４に示すような光軸を中心とする１２個の開口を有するアパチャー部材３０によりＴＥＭ３２モードに固定するなど、任意のＴＥＭｎｍモードに固定できる。
【００２２】
バイナリーオプティックス３、４は半導体微細加工技術を利用し、石英基板（直径５０ｍｍ）にマスクをかけ露光した後、エッチングして図５（ａ）のＶ−Ｖ線について見た図５（ｂ）に示すような断面形状に作製される。ここで、バイナリーオプティクス３は光軸Ｏを中心として左右の厚みが、一方の位相をπだけ遅らせる（または進ませる）分だけ異なっている。
【００２３】
図６は本実施形態に於けるバイナリーオプティックス３による光路変換及び位相変換、バイナリーオプティックス４による平行光への変換の模式図を示す。上記したアパチャー部材１０により共振器１内にてＴＥＭ０１モードに固定されたレーザビームは、バイナリーオプティックス３に入射する時点では左右２つのピークを有し、その中心が暗い明暗パターンとなっている（Ａ部）。その電界振幅は左右、即ちＯを原点としてｘ＞０とｘ＜０とで符号が異なり、即ち位相がπだけずれている（Ｂ部）。
【００２４】
このようなレーザビームがバイナリーオプティックス３に入射すると中心付近に集光するように回折を起こさせるばかりでなく、右半分または左半分のいずれか一方の位相をπだけシフトさせ電界振幅が同符号となるようにしてバイナリーオプティクス４で平行光に戻す。すると、その強度分布（Ｃ部）及び電界振幅（Ｄ部）は中央部にギャップがあることを除くとガウシアン分布に近いものになる。
【００２５】
ここで、図６のＣ部に示すような強度分布はガウシアンビームが中央部のギャップの幅に相当する幅Ｄの線状遮蔽物を通過する問題に帰着する（図７）。これは幅Ｄのスリットによるフラウンホーファー回折と相補的な関係にあるので、バイナリーオプティックス４の中心から直線距離Ｒ０、光軸から距離ｘ０の地点に於ける電界振幅Ｅ（ｘ０）は、
【００２６】
【数１４】
0003549331.tif 000015
【００２７】
となる。つまり、ガウシアン分布から、幅Ｄのスリットから回折された成分を差し引いてやれば良い。ω＝１５ｍｍのガウシアンビームが幅Ｄの線状遮蔽物を通過するとして計算し、任意のギャップの幅Ｄに対して、バイナリーオプティックス３からの距離Ｒの位置に於けるビームブロフィール（｜Ｅ（Ｘ０）｜２；−３０ｍｍ≦ｘ０≦３０ｍｍ）を図８〜図１２に示す。これにより、出射光の中心を遮蔽することによる回折成分はバイナリーオプティックスから離れる（Ｒが大になる）に従い左右に散らばることがわかる。特にＤが小さいほど早く散らばってしまうことがわかる。実際にはＤが３０〜５０μｍ以下になるとガウシアン分布とほとんど違いのないビームプロフィールになる。
【００２８】
上記した回折成分はバイナリーオプティックス４によって平行光とすることができないことから、図６のＥ部に示すようにファーフィールドではビームクォリティーの悪い成分が中心から離間した位置に発生する。この回折成分を除には、ビーム改質装置５を用いる。まず、バイナリーオプティックス４から入射した光をレンズ７で絞ってその焦点位置近傍にてアパチャー部材８に設けられた小径の開口８ａを通す（図１３）。このようにすると左右に散らばった回折成分は開口８ａを通ることができない。そして、レンズ９をもって再び平行光に戻してやれば、ガウシアンモードに近いビームを取り出すことができる。このように、ニアフィールドでｘ＝０において電界振幅は０なのでＭ２の定義から本来のガウシアンモードに比べてビームクォリティーが劣ったビームでも、ビームクォリティーの悪い成分を空間に分離し、良質部分のみを残すことができる。
【００２９】
一方、上記したように図３に示すような光軸を中心とする４つの開口を有するアパチャー部材２０により共振器１から出力されるレーザビームをＴＥＭ１１モードに固定した場合、バイナリーオプティックス３に代えて光軸Ｏを中心として左上及び右下の厚みと右上及び左下の厚みとが、一方の位相をπ／２だけ遅らせる（または進ませる）分だけ異なっているバイナリーオプティックス１３を用いる。同様に最大出力が得られる高次モードＴＥＭｎｍについてもそのモードに応じたバイナリーオプティックスを用いてガウシアンビームに近いビームに変換でき、その後上記同様に、ビームクォリティーの悪い部分を空間分離し、良い部分のみを残すことができる。
【００３０】
尚、上記実施形態では各バイナリーオプティックスを透過型としたが、反射型とすることで軸線方向のスペース効率を向上することができる。また、上記実施形態では例えば高次モードＴＥＭｎｍのビームをガウシアンビームに近いビームに変換したが、バイナリーオプティックス３、１３のピッチ及びパターンを変えることで所望の形状であり、かつ所望の強度分布のレーザビームが得られる。
【００３１】
【発明の効果】
かかる構造のバイナリーオプティックスは、ビームの各領域の位相をそのモード次数に応じて反転させて該各領域の位相が一致するように、その入射する領域の厚みをビームの各領域の元の位相に応じた厚みとすることで、溝はあるもののビーム全体の電界振幅の符号が一致する。すると、ある程度出力位置から離間した位置では利用容易な略ガウシアン分布のビームとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたレーザ加工装置の要部構成図。
【図２】図１の共振器の簡略構成を示す斜視図。
【図３】図１の共振器の別の実施形態に於ける簡略構成を示す斜視図。
【図４】図１の共振器の別の実施形態に於ける簡略構成を示す斜視図。
【図５】（ａ）は本発明によるバイナリーオプティックスの平面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ線について見た断面図。
【図６】本発明によるバイナリーオプティックスによる光路変換及び位相変換、及びこれら変換後のビームの平行光への変換を示す模式図。
【図７】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ０１モードのレーザビームの強度分布を説明するために模式化した説明図。
【図８】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを２００μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図９】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを１００μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図１０】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを５０μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図１１】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを３０μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図１２】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを２０μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図１３】本発明が適用されたレーザ加工装置のビーム改質装置の構成を示す図。
【図１４】（ａ）は本発明による別の実施形態に於けるバイナリーオプティックスの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線について見た断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線について見た断面図。
【符号の説明】
１  共振器
１ａ  リヤミラー
１ｂ  アウトプットミラー
２  ビーム拡大器
３、４  バイナリーオプティックス
５  ビーム改質装置
７  レンズ
８  アパチャー部材
８ａ  開口
９  レンズ
１０  アパチャー部材
１３  バイナリーオプティックス
２０、３０  アパチャー部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003549331.tif 000018
【図４】
0003549331.tif 000019
【図５】
0003549331.tif 000020
【図６】
0003549331.tif 000021
【図７】
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【図８】
0003549331.tif 000023
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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