(57)【要約】  本発明は、広いスペクトル幅からなる多色光をコリメートした後に集光する場合に、集光される焦点位置の波長毎の差をより小さくするレーザ光源に関する。当該レーザ光源はコリメータ装置を含み、コリメートレンズを通過したレーザ光のビームウエスト位置が、レーザ光に含まれる波長成分のうち短波長側波長成分ほどコリメートレンズ側へシフトするように、レーザ光入射部に対するコリメートレンズの設置位置が設定されている。
2014034738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトル幅が数百ｎｍであるレーザ光をコア部から出射するシングルモード光ファイバと、
前記シングルモード光ファイバから拡光して出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズによりコリメートされたレーザ光を集光する集光レンズと、
前記シングルモード光ファイバから出射されるレーザ光の入射位置を設定するレーザ光入射部と、
前記コリメートレンズを固定するコリメートレンズ設置部と、を備え、
前記コリメートレンズを通過した前記レーザ光のビームウエスト位置が、前記レーザ光に含まれる波長成分のうち短波長側波長成分ほど前記コリメートレンズ側へシフトするように、前記レーザ光入射部に対する前記コリメートレンズの設置位置が、設定されている
ことを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記レーザ光は、前記ビームウエスト位置が前記コリメートレンズを基準にして前記シングルモード光ファイバ側に位置する波長成分を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記コリメートレンズは、前記シングルモード光ファイバから出射される前記レーザ光が入射される光入射面と、前記レーザ光が出射される光出射面を有し、
前記レーザ光の中心波長において前記シングルモード光ファイバの光出射端面上に前記コリメートレンズの焦点が位置するよう配置された前記コリメータレンズの前記光出射面の位置を基準とし、前記シングルモード光ファイバ側をマイナス領域、前記集光レンズ側をプラス領域と規定するとき、
前記シングルモード光ファイバから出射される前記レーザ光の光軸に沿って、前記コリメートレンズは、＋１００μｍ〜＋１０００μｍの範囲内に設置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記集光レンズを固定する集光レンズ設置部を備え、
前記コリメートレンズに対する前記集光レンズの設置位置は、前記集光レンズを介して集光するレーザ光の色収差が最小となる領域内に収まるよう、設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記コリメートレンズは、色収差を低減するレンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記集光レンズは、色収差を低減するレンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記レーザ光入射部と前記コリメートレンズ設置部のいずれか一方に設けられた位置調整部であって、前記レーザ光の入射位置と前記コリメートレンズの中心位置との距離を、１０μｍレベル以下で位置調整可能にする位置調整部を備えたことを特徴とする請求項１
記載のレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広いスペクトル幅を有する入力光をコリメートするためのコリメータ装置を含み、広いスペクトル幅を有する入力光をコリメートした後に集光することによりレーザ照射を実現するためのレーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を用いた加工では、光ファイバの端面から拡光出射されたレーザ光をコリメートした後に、集光レンズを用いてコリメートされたレーザ光を集光し、加工対象物の一点にレーザ光を集中させる構成が用いられる。ここで、白色光などの広いスペクトル幅を有する多色光の場合、光の波長によって焦点距離が異なる。それに起因して、光ファイバの端面から出射された光が光ファイバの端面に対してコリメート後に平面波となる位置（ビームウエスト）も光の波長によって異なり、多色光の波面を一点に集中させることは困難である。そこで、従来のレーザ加工技術では、集光レンズとしてアクロマティックレンズを用いることで、色収差を小さくするといった工夫がなされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発明者は従来のレーザ加工技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、多色光が数百ｎｍのスペクトル幅をもつ光の場合、アクロマティックレンズを使用しても、波長成分の違いに起因して集光点の位置にかなりの差が生じることが予想される。深さの正確さが要求されるような薄膜微細加工においては、色収差が加工精度に影響を与える可能性がある。【０００４】
具体的には、一例として０．９μｍ〜１．５５μｍのスペクトル幅をもつ光の場合、波長成分の焦点位置の差は、平凸レンズでは、１５６μｍと大きいが、アクロマティックレンズでは６０μｍと改善される。しかしながら、膜厚が６０μｍより薄い加工対象では、影響が甚大となる。【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、広いスペクトル幅からなる多色光をコリメートする場合に、平面波が生成されるビームウエストの波長に依存する位置差（多色光に含まれる波長に依存するビームウエスト位置の変動量）をより小さくすることが可能なコリメータ装置を含み、多色光を集光する際の色収差（多色光内の波長に依存した集光距離差）を効果的に低減することで、深さ方向の加工精度を格段に向上させることが可能なレーザ光源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】
上記目的を達成するため、本発明の第１態様に係るレーザ光源は、シングルモード光ファイバと、コリメートレンズと、集光レンズと、レーザ光入射部と、コリメートレンズ設置部を備える。シングルモード光ファイバは、スペクトル幅が数百ｎｍであるレーザ光をコア部から出射する。コリメートレンズは、シングルモード光ファイバから拡光して出射されたレーザ光をコリメートする。集光レンズは、コリメートレンズによりコリメートされたレーザ光を集光する。レーザ光入射部は、シングルモード光ファイバから出射されるレーザ光の入射位置を設定する。コリメートレンズ設置部は、コリメートレンズを固定する。【０００７】
特に、第１の態様に係るレーザ光源では、コリメートレンズを通過したレーザ光のビームウエスト位置が、レーザ光に含まれる波長成分のうち短波長側波長成分ほどコリメートレンズ側へシフトするように、レーザ光入射部に対するコリメートレンズの設置位置が設定されている。【０００８】
なお、上記第１の態様に適用可能な第２の態様として、レーザ光は、そのビームウエスト位置がコリメートレンズを基準にしてシングルモード光ファイバ側に位置する波長成分を含んでもよい。さらに、上記第１および第２の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第３の態様として、コリメートレンズは、シングルモード光ファイバから出射されるレーザ光が入射される光入射面と、レーザ光が出射される光出射面を有する。また、この第３の態様において、レーザ光の中心波長においてシングルモード光ファイバの光出射端面上にコリメートレンズの焦点が位置するよう配置されたコリメータレンズの光出射面の位置を基準とし、シングルモード光ファイバ側をマイナス領域、集光レンズ側をプラス領域と規定するとき、シングルモード光ファイバから出射されるレーザ光の光軸に沿って、コリメートレンズは、＋１００μｍ〜＋１０００μｍの範囲内に設置されるのが好ましい。【０００９】
上述のような第１〜第３の態様のうち少なくとも何れかの態様において、短波長側のビームウエスト位置が長波長側のビームウエスト位置に比べて相対的にコリメートレンズ側へシフトした範囲内にコリメートレンズの設置位置が設定された場合に、色収差が抑制されることを発明者は確認した。コリメートレンズの具体的な設置位置は、レーザ光の入射位置からｆ１．３１μm（中心波長１．３１μｍの基準波長成分に対するコリメートレンズの焦点距離）離れた位置から＋１００μｍ〜＋１０００μｍ、好ましくは＋１２５μｍ付近から＋１０００μｍの位置（レーザ光の入射位置からｆ１．３１μm離れた位置よりも集光レンズ側）が適している。なお、「コリメートレンズの中心位置」は、図６（Ａ）〜６（Ｃ）及び図９（Ａ）に示されたように、レンズの有効最大径を規定する位置を意味し、以下の説明において、特に言及することなく単に「コリメートレンズの位置」と言うときは、「コリメートレンズの中心位置」を意味するものとする。同様に、「集光レンズの中心位置」は、図９（Ａ）に示されたように、レンズの有効径を規定する位置を意味し、以下の説明において、特に言及することなく単に「集光レンズの位置」と言うときは、「集光レンズの中心位置」を意味するものとする。【００１０】
上記第１〜第３の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第４の態様として、当該レーザ光源は、集光レンズを固定する集光レンズ設置部を備えても良い。この場合、コリメートレンズに対する集光レンズの設置位置は、コリメートレンズを通過したレーザ光のビーム径が集光レンズの有効開口径以下である領域であり、かつ、集光レンズを介して集光するレーザ光の色収差（波長依存の焦点距離差）が最小となる領域内に収まるよう、設定される。この構成により、深さ方向に対して精度の高い制御が可能になる。集光レンズをどの位置に設置するかは、レーザ光のビーム径が集光レンズの有効開口径以下であることの他に、コリメートレンズの中心位置と集光レンズの中心位置との間隔を調整して集光レンズを介して集光されるレーザ光の色収差が零に到達する際に、間隔と色収差（波長依存の焦点距離差）の関係を示すグラフの傾きが緩やかな方がトレランスは大きくなる。一例として、レーザ光入射部に対するコリメートレンズの設置位置は、ｆ１．３１μm＋１２５μｍ、コリメートレンズに対する集光レンズの設置位置、すなわちコリメートレンズの中心位置と集光レンズの中心位置の間隔は、６００ｍｍとなる。ただし、レーザ光源自体の小型化の観点から、どの程度許容できるかも重要である。よって、トレランスを重要視するか、レーザヘッドの小型化を重要視するかで、コリメートレンズの設置位置と集光レンズの設置位置は異なる。また、コリメートレンズと集光レンズとの間の光路中には、反射ミラーが配置されても良い。【００１１】
上記第１〜第４の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第５の態様として、コリメートレンズは、色収差を低減するレンズであるのが好ましい。また、上記第１〜第５の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第６の態様として、集光レンズは、色収差を低減するレンズであるのが好ましい。なお、色収差を低減するレンズとしては、アクロマティックレンズがある。【００１２】
上記第１〜第６の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第７の態様として、当該レーザ光源は、レーザ光入射部とコリメートレンズ設置部のいずれか一方に設けられた位置調整部を備えても良い。この位置調整部は、レーザ光の入射位置と前記コリメートレンズの中心位置との距離を、１０μｍレベル以下で位置調整可能にする。
【発明の効果】
【００１３】
本実施形態によれば、広いスペクトル幅からなる多色光をコリメートする場合に平面波が生成される位置（ビームウエスト）の波長毎の差をより小さくすることが可能なコリメータ装置を含み、広いスペクトル幅を有する入力光をコリメートした後に集光する際に、波長毎の集光位置の差を小さくすることが可能なレーザ光源が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】は、コリメータ装置及びそれを含む本実施形態に係るレーザ光源それぞれの概略構成図である。
【図２】は、平凸レンズ及びアクロマティックレンズのそれぞれに対して平面波を入射させた場合の色収差（波長依存の焦点距離差）を示す図である。
【図３】は、複数波長成分の平面波を集光レンズへ入射した場合の焦点位置の変化を説明するための概略図である（λ１<λ２<λ３）。
【図４】は、入射波面に対する焦点距離の関係を説明するための図である。
【図５】は、波長成分毎に入射波面をコントロールすることで色収差を抑制する本実施形態の概念を説明するための図である。
【図６】は、光ファイバの端面とコリメートレンズの中心位置との距離を波長λ２での焦点距離に固定した状態で、コリメートレンズからビームウエスト（平面波）までの距離ｆ２’に対してビームウエストの位置が出力光波長に応じてどのように変動するかを模式的に示した図である。
【図７】は、多色光光源からのレーザ光を伝搬する光ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）波長の関係を示す図である。
【図８】は、波長とビームウエスト位置Δｆ’の関係を示す図である。
【図９】は、光ファイバの出射端面とコリメートレンズの中心位置との距離を波長１．３１μｍにおけるコリメートレンズの焦点距離に固定した状態で、コリメートレンズの中心位置と集光レンズの中心位置との間隔Ａに対する波長依存の焦点距離差Δαの関係を示す図である。
【図１０】は、コリメートレンズの調整位置βを変化させ、波長１．０μｍ〜１．５５μｍに対するビームウエスト位置の計算結果を示す図である。
【図１１】は、コリメートレンズの調整位置βを変化させ、コリメートレンズと集光レンズの間隔Ａに対する多色光（波長１．０〜１．５５μｍ）の波長依存の焦点距離差Δαの計算結果を示す図である。
【図１２】は、コリメートレンズの調整位置βに対する、コリメートレンズと集光レンズの間隔Ａの関係及びそのトレランスを示す図である。
【図１３】は、本実施形態の検証用光学系の構成を示す図である。
【図１４】は、コリメートレンズの調整位置βを変化させ、波長１．０μｍ〜１．５５μｍに対するビームウエスト位置の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の各実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００１６】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、コリメータ装置２とそれを含む第１実施形態に係るレーザ光源１の概略構成図である。図１（Ａ）のコリメータ装置２は、レーザ光の出射位置を設定するレーザ光入射部２５、コリメートレンズ３０、コリメートレンズ３０を固定するコリメートレンズ設置部３５、レーザ光入射部２５のレーザ光出射位置（光ファイバ出射端面）２２とコリメートレンズ３０の位置との間隔を調整するため、レーザ光入射部の位置を調整する位置調整部５０とで構成される。位置調整部５０は、コリメートレンズ設置部３５の位置を調整できるように設置されていても良い。図１(Ｂ)のレーザ光源１は、光源１０、光ファイバ（デリバリーファイバ）２０、端面２２を固定するレーザ光入射部２５、コリメートレンズ３０、コリメートレンズ３０を固定するコリメートレンズ設置部３５、集光レンズ４０、及び、集光レンズ４０を固定する集光レンズ設置部４５を含んで構成される。このうち、レーザ光入射部２５、コリメートレンズ３０、コリメートレンズ設置部３５がコリメータ装置として機能する。レーザ光源１０は出力用の光ファイバ２０を含んでいても良い。光ファイバ２０の出射端面２２は、端部に光ファイバの２０の端面損傷を避けるため、光ファイバ２０を導波してきた光のパワー密度を低下させるコアレスファイバのエンドキャップ構造を有するものであっても良い。
【００１７】
多色光光源１０は、一例としては、０．９〜１．５５μｍのスペクトル幅の多色光を出射する光源である。多色光光源１０より出射された多色光は、光ファイバ２０の一方の端面２１から光ファイバ２０のコア領域に入射する。光ファイバ２０は、中心部分のコア領域とコア領域の周囲を覆うクラッド領域とから構成され、端面２１からコア領域に入射した多色光は、コア領域内を伝搬し、他方の出射端面２２から出射される。光ファイバ２０のコア領域の径は、例えば１０μｍ程度とされる。なお、光ファイバ２０の出射端面２２は、狭いコア領域から高出力強度のレーザ光が出射すると、端面損傷が発生するため、それを避けるためのパワー密度を低下させることができるコアレスファイバなどからなるエンドキャップファイバを介して出射されることになる。一例として、エンドキャップファイバは、長さ５００μｍ、直径１２５μｍのコアレスのガラスロッドである。実際にはこれらのものが付いた状態での出射径、出射角度を想定し、それに合致して、レーザ光源１が設計される。以下においては、説明を簡単にするために、光ファイバ２０の出射端面２２にエンドキャップが設けられていない構成について、説明する。
【００１８】
光ファイバ２０の出射端面２２から出射された多色光は、コリメートレンズ３０に入射し、コリメートされた後に出射される。そして、コリメートされた多色光は、集光レンズ４０へ入射し、集光レンズ４０を経ることで、波長毎に異なる点Ｐ（点Ｐmin（最短焦点位置）〜点Ｐmax（最遠焦点位置））に集光される。
【００１９】
光ファイバ２０の出射端面２２は、レーザ光入射部２５により固定されている。またコリメートレンズ３０はコリメートレンズ設置部３５により固定されている。コリメートレンズ設置部３５とレーザ光入射部２５とは、位置調整部５０により、相対位置がμｍ単位で調整可能である。集光レンズ４０は、集光レンズ設置部４５により固定されている。集光レンズ４５とコリメートレンズ設置部３５については、相対位置が１０ｍｍ単位で調整可能である。
【００２０】
一般的に、多色光光源１０から出射される光が単一波長の光、すなわち単色光である場合には、その波長に対応した焦点距離ｆとなる位置にコリメートレンズ３０を設けることにより、光ファイバ２０から出射された光から平行光を生成することが可能となる。そして、このコリメートレンズ３０の位置を調整することにより、所望の位置に平面波を生成することができる。そして、平面波が生成される位置に集光レンズ４０を設けることにより、集光レンズ４０から焦点距離の位置に、当該単色光が最も集光された集光点が形成される。
【００２１】
多色光光源１０から出射された光が、波長域が数百ｎｍにおよぶ広い多色光である場合、仮にコリメートレンズ３０で平面波が同じ位置に生成されたとしても、集光レンズ４０では、それぞれの光の色収差のために、光軸方向の一点に集光をすることができないと考えられていた。ここで、平凸レンズ及びアクロマティックレンズ（型番：AC050-008-C、Thorlab社製）のそれぞれに対して理想的な平面波を入射させた場合の色収差を計算した結果を図２に示す。図２（Ａ）は、平面波が入射した際の多色光の色収差による焦点距離差Δαを図示した図であり、図２（Ｂ）はその結果を示す。なお、図２（Ｂ）において、グラフＧ２１０は平凸レンズの計算結果、グラフＧ２２０はアクロマティックレンズの計算結果を示す。また、図２（Ｂ）のグラフの縦軸は、波長０．９μｍ帯の光が集光レンズ（平凸レンズまたはアクロマティックレンズ）を通過した後の焦点の位置を０とした場合に、それぞれの波長の光の焦点位置の差を指す。例えば、図２（Ｂ）の計算で用いたアクロマティックレンズは、０．７μｍ〜１．１μｍの多色光に対して、アクロマティックレンズとしての機能を発揮することができることが示されている。一方、計算の結果、アクロマティックレンズは波長が１．２μｍ、１．３μｍの光に対しても、０．７μｍ〜１．１μｍの多色光とほぼ同等のレンズ特性（焦点位置の変化）を示すことが確認された。なお、波長０．９μｍの光と波長１．３μｍの光との焦点位置の差は、アクロマティックレンズの場合は４０μｍ程度であるのに対して、平凸レンズの場合は１２０μｍ程度であった。すなわち、アクロマティックレンズを集光レンズとして用いることで、平凸レンズを使用する場合と比較して、入射する光の波長が変わった場合の焦点位置との差をより小さくすることができることが確認される。
【００２２】
図１（Ｂ）のレーザ光源１のように、デリバリーファイバである光ファイバ２０の出射端面２２から出射された多色光をコリメートレンズ３０でコリメートした後、集光レンズ４０で集光する場合には、図２に示されたように、一般的には、集光レンズ４０への入射光は平面波であることが求められていた。しかしながら、拡光された光がコリメートレンズ３０を介し、集光レンズ４０への入射波面は、コリメートレンズ３０の屈折率分散に起因して波長ごとに波面が異なり、集光位置は、複雑なものとなる。
【００２３】
そこで、まず、本実施形態による色収差（波長依存の焦点距離差）の抑制メカニズムについて図３を参照しながら詳細に説明する。なお、図３は、複数波長成分の平面波を集光レンズへ入射した場合の焦点位置の変化を説明するための概略図である（λ１<λ２<λ３）。
【００２４】
図３に示されたように、波長成分λ１、λ２、λ３を含む平面波の光が集光レンズ４０へ入射すると、入射光は焦点距離ｆの位置に集光する。平面波の波長がλ１<λ２<λ３の関係を満たしている場合、集光レンズ４０を介して集光した波長成分それぞれは、材料の屈折率分散に従ってf１、f２、f３と異なる位置に集光する。すなわち、集光レンズ４０を介して集光される波長成分λ１の焦点距離はｆ１、集光レンズ４０を介して集光される波長成分λ２の焦点距離はｆ２、集光レンズ４０を介して集光される波長成分λ３の焦点距離はｆ３である。例えば、f１の位置Ｐｍｉｎとf３の位置Ｐｍａｘの差Δα（波長依存の焦点距離差）は、一般的に色収差と呼ばれている。材料には屈折率分散があるため、レンズ等を介すと必ず色収差が生じる。なお、本明細書では、上記差Δαを、単に焦点距離差と呼ぶ。
【００２５】
次に、集光レンズ４０により集光される波長成分の焦点距離の制御について、図４及び図５を用いて説明する。なお、図４は、入射波面に対する焦点距離の関係を説明するための図であり、図４（Ａ）は、波長λ１の平面波に対する焦点距離の関係、図４（Ｂ）は、マイナスの曲率半径を有する波長λ１の波面（図面右側に向かって凸形状の波面）に対する焦点距離の関係、図４（Ｃ）は、プラスの曲率半径を有する波長λ１の波面（図面左側に向かって凸形状の波面）に対する焦点距離の関係を、それぞれ示す。また、図５は、波長成分毎に入射波面をコントロールすることで色収差を抑制する本実施形態の概念を説明するための図であり、図５（Ａ）は、マイナスの曲率半径を有する波長λ１の波面（図面右側に向かって凸形状の波面）に対する焦点距離の関係、図５（Ｂ）は、波長λ２の平面波に対する焦点距離の関係、図５（Ｃ）は、プラスの曲率半径を有する波長λ３の波面（図面左側に向かって凸形状の波面）に対する焦点距離の関係を、それぞれ示す。図４及び図５に示された集光レンズ４０は、ともにThorlab社製のアクロマティックレンズ（型番：AC050-008-C）である。
【００２６】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）では、いずれも波長はλ１に固定され、集光レンズ４０に入射する波面は、平面波（Ａ）、マイナスの曲率半径を有した波面（Ｂ）、プラスの曲率半径を有した波面（Ｃ）の３種類である。図４（Ａ）の焦点距離は、図３の場合と同様にf１である。図４（Ｂ）の場合、集光レンズ４０へ入射される光は、集光レンズ４０の法線（集光レンズ４０の光軸に一致）に対する入射角度θで所定の広がり角を有しているため、レンズの入射面側と出射面側で生じるスネルの法則により、焦点距離はf１+Δfｆとなる。一方、図４（Ｃ）の場合、図４（Ｂ）とは反対の振る舞いとなるため、f１-Δfｎとなる。すなわち、集光レンズ４０へ入射する波面をコントロールすることで、焦点距離は制御される。
【００２７】
図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示された焦点距離コントロールの発展形である。なお、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）において、各波長は、λ１<λ２<λ３の関係を満たす。図５（Ｂ）の場合、平面波である波長λ２の焦点距離は、図３と同様にf２である。波長λ１の波面が平面波の場合、焦点距離はf１であるが、図５（Ａ）に示されたように波長λ１の波面がマイナスの曲率半径の場合は、平面波での焦点距離f１からf２側へシフトする。適切なマイナスの曲率半径を有した波面を入射することにより、f１+Δf１=f２が成り立つ。一方、図５（Ｃ）の場合、波長λ３の波面はプラスの曲率半径を有しており、平面波での焦点距離f３からf２側へシフトする。波長λ１の場合と同様に、適切なプラスの曲率半径を有した波面を入射することにより、f３-Δf３=f２が成り立つ。ただし、ここでの大前提は、短波長側成分と長波長側成分の波面の曲率半径をそれぞれマイナスとプラスに制御可能としていることである。
【００２８】
デリバリーファイバである光ファイバ２０から出射された多色光をコリメートレンズ３０でコリメートする場合、光ファイバ２０のモードフィールド径（ＭＦＤ）の波長依存性により、各波長成分の出射角に差が生じる。加えて、コリメートレンズ３０に対して広帯域スペクトルの屈折率分散の影響が懸念される。すなわち、コリメートレンズ３０を通過した光（レーザ光）のビーム伝搬特性は各波長に依存するため、例えば集光レンズ４０へ入射する各波長の波面を全て平面波にすることは困難である。そこで、以下、コリメートレンズ３０を通過した光に対する、本実施形態による波面制御について図６を用いて詳細に説明する。
【００２９】
なお、図６は、光ファイバ２０の端面とコリメートレンズ３０の中心位置との距離を波長λ２での焦点距離に固定した状態で、コリメートレンズ３０からビームウエスト（平面波）までの距離ｆ２’に対してビームウエストの位置が出力光波長に応じてどのように変動するかを模式的に示した図である。図６（Ａ）〜図６（Ｃ）において、各波長は、λ１<λ２<λ３の関係とする。図６（Ｄ）は、図６（Ｃ）において仮想的に形成されるビームウエスト位置を示した参考図である。
【００３０】
具体的に、図６（Ａ）は、波長λ１の光のビームウエスト位置を示しており、光ファイバ２０の出射端面２２からf２（波長λ２の焦点距離）の距離にコリメートレンズ３０が設置されている。図６（Ａ）において、コリメートレンズ３０を通過した波長λ１の光のビームウエスト位置（図中、ウエスト位置で表す）はf１’とする。図６（Ｂ）は、波長λ２の光のビームウエスト位置を示している、図６（Ｂ）の場合、コリメートレンズ３０は、光ファイバ２０の光出射端面２２からf2の位置にあることから、コリメートレンズ３０を通過した直後の波面は平面波（ウエスト位置：f２’）である。図６（Ｃ）は、波長λ３の光のビームウエスト位置を示しており、図６（Ａ）、図６（Ｂ）の場合と同様に、光ファイバ２０の出射端面２２からf２の距離にコリメートレンズ３０が設置されている。このような図６（Ｃ）の場合のウエスト位置は実在しない。そこで、図６（Ｄ）に、仮想的に図６（Ｃ）の場合のビームウエスト位置をf３’の位置に示す。なお、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）において、f２’を基準とすると、f１’=f２’+Δf’、f３’=f２’-Δf’である。また、光ファイバ２０の出射端面２２からｆ２の位置Ｌ１に対するコリメートレンズ３０の中心位置のずれを調整位置βとするとき、波長λ２を基準波長とした他の波長λｎのウエスト位置Δｆ’（位置変動量）は、ｆｎ’（β）−ｆ２’（β）で与えられる。また、調整位置βのプラス値は、設置位置Ｌ１に対して集光レンズ４０側の領域を指し、調整位置βのマイナス値は、設置位置Ｌ１に対して出射端面２２側の領域を指すものとする。
【００３１】
図７に、多色光光源からのレーザ光を伝搬する光ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）波長の関係を示す。この図７の関係は、Nufern’s large mode area (LMA)ファイバを用いた場合の波長（１．０μｍ〜１．５５μｍ）に対するＭＦＤを計算した結果である。なお、ＬＭＡファイバの型番はPLMA-YDF-10/125-VIIIであり、該ＬＭＡファイバは、１１．０μｍのコア径、０．０７５の開口数ＮＡを有する。図８は、波長とビームウエスト位置Δｆ’の関係を示す図である。この図８の関係は、コリメートレンズ３０を通過した波長（１．０μｍ〜１．５５μｍ）の光のウエスト位置を計算した結果である。なお、図８は、上記ＬＭＡファイバ（計算には図７のＭＦＤを利用）を用いた場合の計算結果である。また、コリメートレンズ３０は、Thorlab社製の通信帯域用アクロマティック複レンズ（型番：AC050-008-C）を用いた（f１．３１μｍ=5.2407 mm）。
【００３２】
すなわち、図７は、波長１．０μｍ、１．０６μｍ、１．１μｍ、１．３１μｍ、１．５５μｍに対するＬＭＡファイバのＭＦＤの計算結果であり、これらの長波は、後述する検証用光学系（図１３）に用いたバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の中心波長である。図８では、図７に示されたＭＦＤの計算値を用い、図６に示した各波長λ１、λ２、λ３を、それぞれ１．０μｍ、１．３１μｍ、１．５５μｍとした場合のビームウエスト位置Δf’の計算結果が示されている。なお、コリメートレンズ３０には、図２（Ａ）の集光レンズ４０と同じレンズあるThorlab社製の通信帯域用アクロマティック複レンズ（型番：AC050-008-C）が採用されている。光ファイバ２０の出射端面２２からコリメートレンズ３０までの距離は、波長１．３１μｍの場合５．２４０７ｍｍである（f１．３１μｍ=5.2407 ｍｍ）である。図８において、波長１．３１μｍの場合、コリメートレンズ３０を通過した直後の光は平面波であるためΔf’=０である。一方、波長１．０μｍ及び波長１．５５μｍの場合、それぞれの光のΔf’値は、＋２０１．０ｍｍ及びー１５３．８ｍｍである。図６の説明でも触れたが、波長１．５５μｍの光のΔf’は仮想空間でのウエスト位置である。
【００３３】
図９は、光ファイバ２０の出射端面２２とコリメートレンズ３０の中心位置との距離を波長１．３１μｍにおけるコリメートレンズ３０の焦点距離に固定した状態で、コリメートレンズ３０の中心位置と集光レンズ４０の中心位置との間隔Ａに対する波長依存の焦点距離差Δαの関係を示す図である。すなわち、図９（Ａ）は、図８の条件下で集光レンズ４０を配置した場合の概略図であり、図９（Ｂ）は、波長１．０μｍ〜１．５５μｍの光に対する集光レンズ４０の焦点距離差Δαの関係を計算した結果を示す。なお、図９（Ａ）の構成では、ＬＭＡファイバが採用され、コリメートレンズ３０及び集光レンズ４０は、Thorlab社製の通信帯域用アクロマティック複レンズ（型番：AC050-008-C）が採用された（f１．３１μｍ=5.2407ｍｍ）。図９（Ｂ）の計算では、図７のＭＦＤ値が用いられている。
【００３４】
図９（Ａ）において、コリメートレンズ３０は、波長１．３１μｍの焦点距離f１．３１μｍとなるように光ファイバ２０の出射端面２２から５．２４０７ｍｍの位置に設置されている。なお、コリメートレンズ３０と集光レンズ４０の間隔をＡとし、集光された光の色収差（波長依存の焦点距離差）をΔαとした。この場合、図９（Ｂ）から分かるように、Δαは間隔Ａ＝１００ｃｍ付近で最大値１０９μｍとなり、間隔Ａが広くなるに伴い低減する。間隔Ａ＝１０００ｃｍでΔα＝５０μｍである。なお、平面波におけるΔα|１．０−１．５５|（図２（Ａ）参照）は５０μｍ程度であることから、図９の条件下での色収差抑制は難しい。本実施形態でのシミュレーション条件は、１．０μｍ〜１．５５μｍの波長範囲の中心波長である１．３１μｍを基準とした場合であるが、色収差抑制の観点から考えると、色収差をより拡大する方向へ導くことはあっても、抑制することは困難であると推測できる（図５参照）。なお、本実施形態のシミュレーション条件は、波長λ３の光に図５（Ａ）の波面条件（マイナスの曲率半径を有する波面）が適用され、波長λ２の光に図５（Ｂ）の波面条件（平面波）が適用され、波長λ１の光に図５（Ｃ）の波面条件（プラスの曲率半径を有する波面）が適用されている（λ１＜λ２＜λ３）。つまり、短波長側波長（λ１）の焦点位置は、図５（Ｃ）の波面条件より、f２ から遠ざかる位置（f１-Δf１）となる。一方、長波長側波長（λ３）の焦点位置は、図５（Ａ）の波面条件より、f２ から遠ざかる位置（f３+Δf３）となる。すなわち、図８のようにビームウエスト位置Δf’は、波長増大と共に低減する右肩下がりの特性では、色収差抑制が困難であることを指す。以上のことから、色収差抑制は、図８のΔf’の特性が波長増大に伴い増加する右肩上がりの状態である」ことが好ましい。ただし、各波長に依存した伝搬特性が存在し、間隔Ａで波面状況が変化するので、各々の間隔Ａでの特性確認は重要である。
【００３５】
図１０は、コリメートレンズ３０の基準位置Ｌ１から光軸方向に沿って調整位置βを変化させ、波長１．０μｍ〜１．５５μｍに対するビームウエスト位置の計算結果、すなわち、基準位置Ｌ１からコリメートレンズ３０を数十μｍ単位で±光軸方向にシフトさせた場合における各波長に対するビームウェスト位置Δf’の計算結果を示す図である。なお、コリメートレンズ３０の基準位置Ｌ１は、光ファイバ２０の出射端面２２からf１．３１μｍ離れた位置とした（ｆ１．３１μｍでβ＝０μｍ）。また、ここでいうビームウエスト位置Δf’は、「ｆｎ’(β)−ｆ１．３１μｍ’(β)」を指し、ｆｎ’(β)は、コリメートレンズの設置位置を「ｆ１．３１μｍ＋β」とした場合の波長λｎでのコリメートレンズ３０からコリメート後のビームウエスト位置までの距離を指す。
【００３６】
具体的に、図１０中、グラフＧ１０１０はｆ１．３１μｍでβ＝０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０２０Ａはβ＝＋２０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０３０Ａはβ＝＋７０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０４０Ａはβ＝＋１２５μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０５０Ａはβ＝＋２２０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０６０Ａはβ＝＋４７０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０７０Ａはβ＝＋２９７０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０２０Ｂはβ＝−３０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０３０Ｂはβ＝−１３０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０４０Ｂはβ＝−２３０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０５０Ｂはβ＝−５３０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ１０６０Ｂはβ＝−３０３０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、をそれぞれ示す。なお、グラフＧ１０８０Ａはβ＝＋１００μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係を示す。
【００３７】
この図１０から分かるように、コリメートレンズ３０の調整位置βが−３０μｍから＋７０μｍの範囲において、Δf’は波長増大に伴い小さくなり、右肩下がりの傾向である。一方、調整位置βが＋１２５μｍから＋２９７０μｍの範囲においては、おおよそ、右肩上がりの傾向にあり、色収差抑制の観点から有効な範囲と考えられる。なお、一見、調整位置βが−３０３０μｍから−１３０μｍの範囲も右肩上がりの傾向であることから、色収差抑制に有効であるように思われる。しかしながら、集光レンズ４０の位置における各波長の曲率半径は全てマイナスになり、色収差を抑制するために必要な曲率半径の条件（短波長：マイナス、長波長：プラス、図５参照）とは異なる。よって、調整位置βが−３０３０μｍから−１３０μｍの範囲における色収差を抑制することは困難であることが予想される。図１０のシミュレーションでは波長に対するΔf’の全体像を把握するために、広範囲に亘る計算が実施されている。しかしながら、例えば、調整位置βが＋２９７０μｍである光学系では、コリメートレンズ３０のみで集光光学系を成しており、集光レンズ４０の意味合いが極めて小さくなる。よって、実際の光学系では、f１．３１μｍ＋１０００μｍ程度である。逆に、調整位置βの下限値は、＋７０μｍ〜＋１２５μｍの間に存在する。そこで、図１０中のグラフＧ１０８０Ａ（β＝＋１００μｍ）に着目すれば、基準波長（例えば中心波長）１．３１μｍから短波長領域において右肩上がりの傾向が確認でき、調整位置βの下限値が＋１００μｍ近傍であることが推測できる。したがって、コリメートレンズ３０の具体的な設置位置は、レーザ光の入射位置からｆ１．３１μm離れた位置から＋１００μｍ〜＋１０００μｍ、好ましくは＋１２５μｍ付近から＋１０００μｍの位置が適していることが分かる。
【００３８】
図１１は、コリメートレンズ３０の調整位置βを変化させ、コリメートレンズ３０と集光レンズ４０の間隔Ａに対する多色光（波長１．０〜１．５５μｍ）の波長依存の焦点距離差Δαの計算結果を示す図である。なお、調整位置βは、光ファイバ２０の出射端面２２から波長１．３１μｍの焦点位置（コリメートレンズ３０の焦点位置）を基準位置Ｌ１（β＝０μｍ）に対するコリメートレンズ３０の光軸方向に沿った変動量を指す。
【００３９】
図１１において、グラフＧ１１１０はβ＝−２３０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置、グラフＧ１１２０はβ＝＋２０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置、グラフＧ１１３０はβ＝＋７０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置、グラフＧ１１４０はβ＝＋１２５μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置、グラフＧ１１５０はβ＝＋１７０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置、グラフＧ１１６０はβ＝＋２２０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置、グラフＧ１１７０はβ＝＋２７０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置、それぞれにおける波長依存の焦点距離差を示す。
【００４０】
この図１１において、調整位置βが−２３０μｍ、＋２０μｍ、＋７０μｍのとき、Δαは最小でも２０μｍ程である。一方、調整位置βが＋１２５μｍ、＋１７０μｍ、２２０μｍ、２７０μｍのとき、Δαはほぼ０（レーザ加工におけるステージ振動を無視できるレベル）に達しており、中でもβ＝＋１２５μｍのときはグラフの傾きが緩やかなため、本実施形態での計算条件の中では色収差抑制に最も適していると考えられる。以上の結果からも分かるように、Δαは図１０の特性に依存しており、色収差抑制には、「波長増大に伴うΔf’の右肩上がり」は妥当であることが明らかになった。なお、図１１から分かるように、色収差を積極的に増大させることもできることが明らかになった。
【００４１】
図１２は、コリメートレンズ３０の調整位置βに対する、コリメートレンズ３０と集光レンズ４０の間隔Ａの関係及びそのトレランスを示す図である。具体的に、図１２（Ａ）は、集光レンズ４０の設置トレランスΔＴを零、すなわちΔαをほぼ０とした場合のβ（コリメートレンズ３０の調整位置）に対する、コリメートレンズ３０と集光レンズ４０の間隔Ａの関係を示す図である。また、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）の間隔Ａを基準とした場合において、集光レンズ４０の設置トレランスΔＴが±５μｍ以下（Δα≦±５μｍ）となるように間隔Ａのトレランスを示す図である。なお、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）のいずれの結果も図１１の計算結果より得られる。
【００４２】
図１２（Ａ）から分かるように、Δαをほぼ０とするには各βに対して、２つ（図１２（Ａ）中のグラフＧ１２１０Ａ、Ｇ１２２０Ａ）の間隔Ａが存在している。即ち、例えばβ＝＋２７０μｍの場合、Δαがほぼ０になる間隔Ａは１７０ｍｍおよび３１０ｍｍである。ヘッドボックスの小型化には、いずれもβの値を大きくし、破線で示している間隔Ａ（グラフＧ１２２０Ａ）に集光レンズ４０を設定するのが良い。しかしながら、図１２（Ｂ）から分かるように、βが大きくなるに従い、±５μｍ以下のΔαが得られる間隔Ａのトレランスは低減しており、小型化と間隔Ａのトレランスには二律背反の関係性が成り立っている。例えば、間隔Ａのトレランスを１０ｍｍ程度とした場合、βの値はおよそ２００μｍであり、間隔Ａは〜４００ｍｍ（グラフＧ１２１０Ｂ）と〜２１０ｍｍ（Ｇ１２２０Ｂ）の２点であることが分かる。レーザ干渉測長器を用いれば、集光レンズ４０の設置は間隔Ａのトレランスが数百ミクロンオーダーでも十分対応可能であるため、間隔Ａを２００ｍｍ以下にすることもできる。なお、間隔Ａの間に２枚のミラーで折り返すことで、ヘッドボックスの小型化ができる。
【００４３】
図１３は、本実施形態の検証用光学系の構成を示す図である。図１３に示された、色収差抑制のための検証用光学系は、図１（Ｂ）のレーザ光源１に相当する構造と、測定系を備える。すなわち、図１３の検証用光学系のレーザ光源は、多色光光源１０であるSuper continuum光源１１と、Nufern’s ＬＭＡファイバ２１（デリバリーファイバである光ファイバ２０に相当）と、コリメートレンズ３０に相当するアクロマティックレンズ３１と、集光レンズ４０を備える。さらに、このレーザ光源は、Nufern’s ＬＭＡファイバ２１とアクロマティックレンズ３１を保持する台座７０と、集光レンズ４０を保持する台座８０、台座７０上に設置され、アクロマティックレンズ３１の設置位置を調整するＸＹＺステージ７５を備える。なお、ＸＹＺステージ７５には、Ｚ方向マイクロメータ７６が含まれる。また、Nufern’sＬＭＡファイバ２１は、Nufern’s large mode areaファイバ（型番：PLMA-YDF-10/125-VIII）であり、１１μｍのコア径と０．０７５の開口数ＮＡを有する。コリメートレンズ３０に相当するアクロマティックレンズ３１はThorlab社製の通信帯域用アクロマティック複レンズ（型番：AC050-008-C、f１．３１μｍ=5.2407ｍｍ）であり、この光学系では、集光レンズ４０にもこのアクロマティックレンズ（型番：AC050-008-C）が採用されている。Ｚ方向マイクロメータ７６には、粗微動マイクロメータヘッド（駿河精機製：B83-1、最小目盛微動：０．５μｍ）が採用されている。
【００４４】
一方、測定系は、中赤外カメラ６０と、対物レンズ６５により構成されている。中赤外カメラ６０は、XenlCs(InGaAs)が採用されている。また、対物レンズ６５は、ビーム径の関係から間隔Ａに応じて使い分けられている。すなわち、間隔Ａが２００〜４００ｍｍのときに採用された対物レンズ６５は、NIKON M PlanApo 200/0.95, 210/0である。間隔Ａが５００〜７００ｍｍのときに採用された対物レンズ６５は、MITSUTOYO M Plan NIR 100/0.50, ∞/0である。なお、多色光光源から所定の波長の取り出しには、バンドパスフィルターを用いた。バンドパスフィルターの中心波長は、それぞれ１．０μｍ、１．１μｍ、１．２μｍ、１．３１μｍ、１．５５μｍであり、半値幅はいずれも１０ｎｍである。
【００４５】
図１３の光学系において、Super continuum光源１１から出射されたレーザ光は、Nufern’s ＬＭＡファイバ２１を介し、アクロマティックレンズ３１へ出射される。Nufern’s ＬＭＡファイバ２１とアクロマティックレンズ３１の間隔は、数μｍ単位でコントロールする必要があるため、アクロマティックレンズ３１のＺ方向の調整は、粗微動マイクロメータヘッド７６（最小目盛微動：０．５μｍ）を取り付けたＸＹＺステージ７５により行われる。Δαの測定は集光レンズ４０により集光される光を中赤外カメラ６０で測定することにより行われる。なお、中赤外カメラ６０（XenICs）の計測ソフトはビームプロファイル像のみであったことから、Δαは各波長の最小ビームプロファイルが得られたカメラ位置から求めた。
【００４６】
図１４には、図１３の光学系により、アクロマティックレンズ３１の調整位置βを変化させ、波長１．０μｍ〜１．５５μｍに対するビームウエスト位置の測定結果が示されている。なお、図１１は対応する計算結果である。この測定は、アクロマティックレンズ３１を支持するＸＹＺステージ７５と中赤外カメラ６０を支持するステージとが干渉しない間隔Ａ（＝２００ｍｍ）から開始されたものである。
【００４７】
図１４において、グラフＧ１４１０はβ＝＋７０μｍであるアクロマティックレンズ３１の設置位置、グラフＧ１４２０はβ＝＋１２５μｍであるアクロマティックレンズ３１の設置位置、グラフＧ１４３０はβ＝＋１７０μｍであるアクロマティックレンズ３１の設置位置、グラフＧ１４４０はβ＝＋２７０μｍであるアクロマティックレンズ３１の設置位置、それぞれにおける波長依存の焦点距離差Δαを示す。
【００４８】
図１４の測定結果は全体的に振動しているが、いずれの測定結果も計算値と同程度であること、全体的な様相は図１１と傾向が良く似ており、計算結果は妥当である。
【００４９】
上述のように本実施形態は、広いスペクトル幅からなる多色光をコリメートした後に集光する場合に、色収差を抑制することを可能にする。本実施形態によれば、デリバリーファイバの出射端面とコリメートレンズの間隔を数十μｍ単位でコントロールし、所望の位置に集光レンズを配置することにより、色収差は原理的に零にすることが可能である。計算結果の妥当性を検証するため、シミュレーションに用いた光学系（図１３）を準備し、検証実験を実施した結果、計算結果と良い一致が得られ、本実施形態の色収差抑制の有効性が実証された。以上より、本実施形態の色収差抑制が適用されることにより、平面波入射のアクロマティックレンズよりも色収差を圧縮でき、原理的には零にすることが明らかになった。更に本実施形態によれば、図１１からも分かるように、色収差を積極的に増大させることも可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１…レーザ光源、１０…光源、２０…光ファイバ、２５…レーザ光入射部、２６…ピンホールマスク、３０…コリメートレンズ、３５…コリメートレンズ設置部、４０…集光レンズ、４５…集光レンズ設置部、５０…位置調整部。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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