(57)【要約】【課題】伝送損失、偏光依存性を抑制することができ、出射レーザ光の強度分布の均一性を向上可能な小型で、高出力のレーザ光に対しても十分光学的、熱的に耐久性がある、安価で機械的に強固で耐久性に優れた導波路型ビームホモジナイザを提供する。【解決手段】レーザ光が伝搬する断面矩形空間１２を有する中空金属部材１０の金属内壁面１３上に誘電体薄膜１４を形成した導波路型ビームホモジナイザ１において、誘電体薄膜１４の膜厚ｄを、誘電体薄膜１４に最も深い角度で入射するレーザ光のＳ偏光波における反射率とＰ偏光波における反射率の相加平均反射率が最も大きくなるときの膜厚ｄaと、この膜厚ｄaと最も近いところに存在するＳ偏光波における反射率とＰ偏光波における反射率とが等しくなるときの膜厚ｄbとの間にあるように設定した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光が伝搬する断面矩形空間を有する中空金属部材の金属内壁面上に誘電体薄膜を形成した導波路型ビームホモジナイザにおいて、前記誘電体薄膜に入射する前記レーザ光の電界が入射面に対して垂直である偏光波をＳ偏光波、前記入射面に対して平行である偏光波をＰ偏光波とすると、前記誘電体薄膜の膜厚ｄを、前記誘電体薄膜に最も深い角度で入射する前記レーザ光のＳ偏光波における反射率とＰ偏光波における反射率の相加平均反射率が最も大きくなるときの膜厚ｄaと、前記膜厚ｄaと最も近いところに存在する前記Ｓ偏光波における反射率と前記Ｐ偏光波における反射率とが等しくなるときの膜厚ｄbとの間にあるように設定したことを特徴とする導波路型ビームホモジナイザ。
【請求項２】
前記中空金属部材は４つの金属部材を接合することによって、外形の断面形状が円形で、その中央部に前記金属内壁面によって前記断面矩形空間を区画したものであると共に、前記断面矩形空間を挟んで少なくとも互いに対向する前記金属部材の断面形状が同一であることを特徴とする請求項１記載の導波路型ビームホモジナイザ。
【請求項３】
前記断面矩形空間は、前記レーザ光が入射される円形入射口に向かって拡径する円錐側面形状を成す形状変換部に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型ビームホモジナイザ。
【請求項４】
前記中空金属部材は無酸素銅からなり、前記誘電体薄膜は、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、フッ化カルシウム、酸化銅、ヨウ化銅、あるいは石英のいずれかからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の導波路型ビームホモジナイザ。
【請求項５】
レーザ光が伝搬する断面矩形空間を有する中空金属部材の金属内壁面上に所定の膜厚を有する誘電体薄膜が形成されてなる導波路型ホモジナイザの製造方法において、
前記誘電体薄膜に入射する前記レーザ光の電界が入射面に対して垂直である偏光波をＳ偏光波、前記入射面に対して平行である偏光波をＰ偏光波とした時に、
前記誘電体薄膜に最も深い角度で入射する前記レーザ光のＳ偏光波における反射率とＰ偏光波における反射率の相加平均反射率が最も大きくなるときの膜厚ｄaを求め、
前記膜厚ｄaと最も近いところに存在する前記Ｓ偏光波における反射率と前記Ｐ偏光波における反射率とが等しくなるときの膜厚ｄbを求めてから、
前記誘電体薄膜の膜厚ｄを前記膜厚ｄaと前記膜厚ｄbとの間になるように設定することを特徴とする導波路型ビームホモジナイザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マーキングや表面処理などのレーザ加工、あるいはアザとりや脱毛などのレーザ治療を行うに際して、照射面におけるレーザ光強度分布の均一化を図る導波路型ビームホモジナイザに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にレーザ光源から発せられる光の強度分布は、中心部分の強度が最も強いガウス分布や、あるいはいくつかの局在した強度ピークを有する不均一な分布となっている。このような不均一な強度分布のレーザ光をある特定の範囲に照射すると、例えばレーザマーキングでは視覚的な濃淡が生じたり、金属や樹脂材料等の表面処理おいては、視覚的だけではなく不均一な機械的強度分布や構造欠陥が発生したりする。またレーザ治療においても、このような不均一な強度分布をもつレーザ光をある特定の範囲に照射すると、局所的な過度の照射によって正常組織を破壊したり炎症させたりするなどの危険が伴う。
【０００３】
このようなレーザ光の強度分布の不均一性を改善し、広範囲な領域を均一に処理するために、例えばレーザ光を強度分布の不均一性が無視できる程度の微小なスポット径に絞り、これを大面積にわたり走査させて、見かけ上照射効果（強度分布）を均一にする方法が考えられる。しかし、このような方法ではレーザ光を走査するための処理時間がかかり、また可動部分を有するので照射装置の小型化が困難であり、さらに振動による光軸変動が発生しやすいなど信頼性上の問題もある。
【０００４】
このような問題を解決し、レーザ光特有の不均一な光強度分布を均一化する光学素子としてビームホモジナイザが知られており、これまでに様々な方式のビームホモジナイザが提案されている。ビームホモジナイザを用いることにより、広範囲な領域を短時間で均一に処理することが可能となるため、特にマーキングや表面処理等の工業加工分野、あるいはアザとり、脱毛などのレーザ治療の分野などで有用である。
【０００５】
ビームホモジナイザには、透過型ビームホモジナイザ、反射型ビームホモジナイザ、および導波路型ビームホモジナイザなどがある。
【０００６】
透過型ビームホモジナイザとしては、碁盤の目状に分割された微小レンズを２次元アレー状に一体化した、いわゆるフライアイレンズと呼ばれるものや、透明基板上にミクロン単位の微細な凹凸を形成し、レーザ光の回折現象を利用して均一化を図った回折型ビームホモジナイザがある（特許文献１）。
【０００７】
また反射型ビームホモジナイザとしては、細分割されたセグメントミラーによって、これに入射するビームを一旦分割し、これを集光しながら再度重ね合わせて均一ビームを得るものがある（特許文献２）。
【０００８】
さらに、導波路型ビームホモジナイザとしては、対向する反射板を組み合わせ矩形の中空伝搬領域を形成して、レーザ光をこの中空伝搬領域の内壁面に反射させながら強度分布の均一化を図った矩形中空導波路構造のビームホモジナイザ（カライドスコープとも呼ばれる）が提案されている（特許文献３〜７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１０１８４４号公報
【特許文献２】特開平８−９４８１２号公報
【特許文献３】特開平５−２８５６８４号公報
【特許文献４】特開平７−１７１２２３号公報
【特許文献５】特開２００４−１７０４８４号公報
【特許文献６】特開２００８−１４７６４３号公報
【特許文献７】特開２００９−１２２６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述したビームホモジナイザには以下の問題がある。
【００１１】
まず、フライアイレンズや回折現象を用いた透過型ビームホモジナイザは、レーザ光の波長帯で透明な材料を用い、適当な光学系を構築すれば低損失でレーザ光の均一化を図ることができる。しかしながら、多数の微小レンズを接合したり、あるいは透明基板上に回折格子を微細加工したりしなければならないため、製造工程が複雑で、コストが高いという問題がある。特に金属や樹脂等のレーザ加工、あるいは医療用レーザ治療に有効なＣＯ2レーザ光に対しては、石英ガラスは不透明であるため基板材料として使用することができない。ガラス材料の場合には比較的レンズ加工や回折格子の微細加工は容易であるが、一般にＣＯ2レーザ光用の透明光学材料であるセレン化亜鉛やゲルマニウムなどの結晶性材料は、接合やミクロン単位の微細加工が困難であるため、たとえこれらの材料を用いて透過型ビームホモジナイザを製作できたとしても非常に高価なものになってしまう。
【００１２】
そのためフライアイレンズや回折型の透過型ビームホモジナイザは、その用途が主に石英ガラス、あるいはその他の光学ガラスが使用できる近赤外波長帯以下のレーザ光用に限定されており、ＣＯ2レーザ光用としては十分普及していない。
【００１３】
ビームホモジナイザ通過後の強度分布が均一化されたレーザ光は、光源からのレーザ光よりも広がり角が大きくなるので、一般にはビームホモジナイザは、光源側よりも被照射物側に近い位置に設置される。それゆえに、ビームホモジナイザは、被照射物からの粉塵や蒸散物が飛翔する劣悪な環境に曝されることが多く、汚染される可能性が高い。
【００１４】
透過型ビームホモジナイザは、一旦素子の表面にこれら汚染物質が付着すると、レーザ光の照射によりさらに汚染物質が膠着して欠陥が拡大し、透過率低下だけでなく、素子の寿命が大幅に低下してしまう。
【００１５】
特に金属加工に使われるようなｋＷ級のパワーを扱うＣＯ2レーザ加工の場合には、一旦汚染物質が付着すると素子自体が容易に破壊されてしまうので、汚染が進行したビームホモジナイザは使用を中止し、新しいものと交換すべきである。しかし上述のようにこのようなビームホモジナイザは非常に高価であるため、頻繁に交換することは経済的に難しい。
【００１６】
また、透過型ビームホモジナイザは、レーザ光の強度分布の均一性を実現するために、あるいはレーザ光のパワー密度が素子の破壊閾値を越えないようにするために、ある程度広がったレーザ光をビームホモジナイザに入射させることが必要である。そのため、微小スポットに集光し高いパワー密度となる位置でレーザ光を入射させることは困難で、結果としてビームホモジナイザの素子の厚さは薄くできるものの、受光面積を十分小さくすることはできない。このように透過型ビームホモジナイザではある程度の受光面積が必要となるため、例えばレーザ治療器の先端に装着されるハンドピース部内に収納することは困難である。
【００１７】
次にセグメントミラーを用いる反射型ビームホモジナイザは、汚染物質の付着に対しては、比較的耐久性が強く、汚染の状況によってレーザ光の伝送効率はある程度低下するものの破損に至る閾値は高い。しかし、このようなセグメントミラーを用いる反射型ビームホモジナイザでは、レーザ光強度の均一分布が得られる集光点における集光深度が浅く、またレーザ光の光軸を折り返して構成されるので一般には伝送光学系が複雑で大きくなってしまうという問題がある。さらに、多数のセグメントミラーを凹面板に貼り付けて使用されることから、反射型ビームホモジナイザも極めて高価である。
【００１８】
次に矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは、レーザ光の伝搬領域は中空領域であり、レーザ光は矩形中空導波路の内壁面で反射を繰り返しながら伝搬される。そのため、透過型ビームホモジナイザよりも高パワー密度による破壊、あるいは汚染物質の付着による破壊の危険性は小さい。
【００１９】
しかしながら矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは、レーザ光が矩形中空導波路の内壁面で何度も反射を繰り返すので、全体的な反射損が問題となる。
【００２０】
また矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは、レーザ光は矩形中空導波路の内壁面に対して浅い角度で入射するのでその反射率は一般にレーザ光の偏光状態に依存するという問題がある。
【００２１】
上述のセグメントミラーを用いる反射型ビームホモジナイザでは、レーザ光はミラー面に対しほぼ垂直に入射し、１回反射するだけであるので反射損も小さく、その反射率は入射するレーザ光の偏光状態にはほとんど依存しないが、矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは全体的に伝送損失が大きく、またビームホモジナイザ通過による伝送効率は、レーザ光の偏光状態に依存してしまうという問題がある。
【００２２】
また矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは、ビームホモジナイザを通過する際に発生する伝送損失により、ビームホモジナイザ自体が発熱するため、放熱性（ビームホモジナイザの熱伝導率）も重要となる。特許文献５，７では、内壁面が平滑なガラス材料に金属膜を被覆して構成された導波路型ビームホモジナイザが提案されているが、熱伝導率という点では、ガラス材料は必ずしも好適とは言えない。
【００２３】
レーザ光をより浅い角度で内壁面に入射させて反射率を高め、かつ矩形中空導波路の長さを制限し、反射の回数を制限すれば、伝送損失をある程度抑えることは可能であるが、出射レーザ光の強度分布の均一性は劣る。伝送損失の抑制と出射レーザ光の強度分布の均一性とを両立させるため、ビームホモジナイザ自体あるいはそこに入射されるレーザ光自体を振動させて時間的にレーザ光の照射強度を平均化する手段も考案されている（特許文献３，６，７）。しかしながらこのような可動部を有する光学系は、振動機構が複雑で、特にレーザ治療器のハンドピース部内に装着するような小型なビームホモジナイザには適しない。このような機構がなくても、伝送損失を抑え、レーザ光の偏光依存性を抑制し、レーザ光の均一化を実現するビームホモジナイザが求められている。
【００２４】
そこで、本発明の目的は、上記のような伝送損失や偏光依存性の問題を解消し、高出力のレーザ光に対しても十分光学的、熱的な耐久性を有し、しかも安価で機械的に強固な導波路型ビームホモジナイザを提供することにある。また、レーザ治療器の伝送系先端に装着されるハンドピース部等の小型部材内にも設置できるような形状を有する導波路型ビームホモジナイザおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、レーザ光が伝搬する断面矩形空間を有する中空金属部材の金属内壁面上に誘電体薄膜を形成した導波路型ビームホモジナイザにおいて、前記誘電体薄膜に入射する前記レーザ光の電界が入射面に対して垂直である偏光波をＳ偏光波、前記入射面に対して平行である偏光波をＰ偏光波とすると、前記誘電体薄膜の膜厚ｄを、前記誘電体薄膜に最も深い角度で入射する前記レーザ光のＳ偏光波における反射率とＰ偏光波における反射率の相加平均反射率が最も大きくなるときの膜厚ｄaと、前記膜厚ｄaと最も近いところに存在する前記Ｓ偏光波における反射率と前記Ｐ偏光波における反射率とが等しくなるときの膜厚ｄbとの間にあるように設定した導波路型ビームホモジナイザである。
【００２６】
さらに好適には、前記中空金属部材は４つの金属部材を接合することによって、外形の断面形状が円形で、その中央部に前記金属内壁面によって前記断面矩形空間を区画したものであると共に、前記断面矩形空間を挟んで少なくとも互いに対向する前記金属部材の断面形状が同一であることとした。
【００２７】
さらに好適には前記断面矩形空間は、前記レーザ光が入射される円形入射口に向かって拡径する円錐側面形状を成す形状変換部に接続されることとした。
【００２８】
さらに好適には前記中空金属部材は無酸素銅からなり、前記誘電体薄膜は、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、フッ化カルシウム、酸化銅、ヨウ化銅、あるいは石英のいずれかからなることとした。
【００２９】
また本発明は、レーザ光が伝搬する断面矩形空間を有する中空金属部材の金属内壁面上に所定の膜厚を有する誘電体薄膜が形成されてなる導波路型ホモジナイザの製造方法において、前記誘電体薄膜に入射する前記レーザ光の電界が入射面に対して垂直である偏光波をＳ偏光波、前記入射面に対して平行である偏光波をＰ偏光波とした時に、前記誘電体薄膜に最も深い角度で入射する前記レーザ光のＳ偏光波における反射率とＰ偏光波における反射率の相加平均反射率が最も大きくなるときの膜厚ｄaを求め、前記膜厚ｄaと最も近いところに存在する前記Ｓ偏光波における反射率と前記Ｐ偏光波における反射率とが等しくなるときの膜厚ｄbを求めてから、前記誘電体薄膜の膜厚ｄを前記膜厚ｄaと前記膜厚ｄbとの間になるように設定する導波路型ホモジナイザの製造方法である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、伝送損失が小さく、入射レーザ光の偏光依存性を抑制することができる。また高出力のレーザ光に対しても十分光学的、熱的に耐久性があり、小型で安価、かつ機械的に強固な導波路型ビームホモジナイザおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る導波路型ビームホモジナイザを示す図であり、（ａ）は入射側から見た正面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図２】本発明における導波路型ビームホモジナイザの断面矩形空間を区画し、誘電体薄膜が形成された金属内壁面に入射されるレーザ光の偏光と反射について説明するための縦断面模式図である。
【図３】銅壁面上にゲルマニウム薄膜が形成された反射面に、波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光が入射した場合のゲルマニウム薄膜の膜厚ｄに対するＳ偏光波の反射率（Ｒｓ）、Ｐ偏光波の反射率（Ｒｐ）、およびその相加平均の反射率（Ｒａ）を示す図であり、（ａ）は、図２に示した入射角の余角である角度θが１°、（ｂ）は角度θが５°、（ｃ）は角度θが１０°の場合を示す図である。
【図４】銅壁面上にセレン化亜鉛薄膜が形成された反射面に、波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光が入射した場合のセレン化亜鉛薄膜の膜厚ｄに対するＳ偏光波の反射率（Ｒｓ）、Ｐ偏光波の反射率（Ｒｐ）、およびその相加平均の反射率（Ｒａ）を示す図であり、（ａ）は、図２に示した入射角の余角である角度θが１°、（ｂ）は角度θが５°、（ｃ）は角度θが１０°の場合を示す図である。
【図５】本発明の別の実施の形態に係る導波路型ビームホモジナイザを示す入射側方向から見た正面図である。
【図６】本発明の別の実施の形態に係る導波路型ビームホモジナイザを示す図であり、（ａ）は入射側方向から見た正面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００３３】
図１は本実施の形態に係る導波路型ビームホモジナイザを示す図であり、（ａ）はレーザ光の入射側から見た正面図および（ｂ）は側面図である。
【００３４】
導波路型ビームホモジナイザ１は、略断面扇型の同一形状を有する４つの金属部材１１ａ〜１１ｄが対向して組立てられ、その中心部に断面矩形空間１２が形成されてなる中空金属部材１０と、この中空金属部材１０の金属内壁面１３上に形成された誘電体薄膜１４とを有する。
【００３５】
本実施例では、金属部材１１ａ〜１１ｄの材料として熱伝導率が良好で、かつ大きな反射率を得ることができる無酸素銅を用いた。
【００３６】
また誘電体薄膜１４の材料としてはゲルマニウムを用い、金属内壁面１３上にスパッタリング法により形成された。
【００３７】
ＣＯ2レーザ光の発振波長１０．６μｍにおいて、銅の複素屈折率は１４．１−ｊ６４．５であり、ゲルマニウムの屈折率は４である。ゲルマニウムの消衰係数（複素屈折率の虚数部）はほとんど無視できて、すなわちゲルマニウムは、ＣＯ2レーザ光の波長帯において透明な誘電体としてみなされる。
【００３８】
また本実施例では、同一形状の４つの金属部材１１ａ〜１１ｄを接合し、その外形断面が直径６ｍｍの円形を成し、その中心部の断面矩形空間１２は一辺が１．５ｍｍの正方形断面を成す構造とし、導波路型ホモジナイザ１の長さは１０ｃｍとした。４つの金属部材１１ａ〜１１ｄは、ねじ穴１５に、図示しないボルトを螺合することで固定され、一体化されるが、これらは接着や溶接接合により一体化してもよい。
【００３９】
また断面矩形空間１２を区画する金属内壁面１３はレーザ光の反射率を高めるために鏡面に研磨される。この研磨される領域、および誘電体薄膜１４が形成される領域は、光学的にはレーザ光が伝搬する断面矩形空間１２を区画する領域のみで十分であるが、製造工程の容易さから、この領域を含む金属部材１１ａ〜１１ｄの各面全体にわたって施してもよい。
【００４０】
導波路型ビームホモジナイザ１の断面矩形空間１２に、レーザ光が入射され、進行軸に対して上下の内壁面だけでなく、左右の内壁面にもいろいろな角度で反射を繰り返しながら長手方向に伝搬し、これによりレーザ光の空間的な強度分布が均一化される。このとき、断面矩形空間１２を区画し、誘電体薄膜が形成された金属内壁面１３において、様々な偏光状態のレーザ光が混在して反射を繰り返しながら伝搬する。
【００４１】
図２に、誘電体薄膜１４が形成された金属内壁面１３によって区画された断面矩形空間１２の縦断面模式図を示す。レーザ光は、断面矩形空間１２と誘電体薄膜１４との境界面および金属内壁面１３で反射される。それぞれの反射面に入射するレーザ光２１の電界が入射面に対して垂直である偏光波をＳ偏光波、入射面に対して平行である偏光波をＰ偏光波と呼ぶ。反射面におけるレーザ光２１の反射率は、入射するレーザ光２１の偏光状態および誘電体薄膜１４の膜厚に依存する。
【００４２】
図３は、銅壁面（金属内壁面１３）にゲルマニウム薄膜（誘電体薄膜１４）が形成された反射面に、図２で示すところの角度θ（入射角の余角）が、１°、５°および１０°で波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光が入射した場合の、ゲルマニウム薄膜の膜厚ｄに対するＳ偏光波の反射率（Ｒs）、Ｐ偏光波の反射率（Ｒp）、およびその相加平均の反射率（Ｒa）を示したものである。図３（ａ）〜（ｃ）において、Ｓ偏光波の反射率（Ｒs）を実線で、Ｐ偏光波の反射率（Ｒp）を破線で、その平均の反射率（Ｒa）を一点鎖線で示している。
【００４３】
なお、Ｓ偏光波の反射率（Ｒs）およびＰ偏光波の反射率（Ｒp）は、株式会社昭晃堂が発行した光伝送の基礎（宮城光信著、１９９１年５月２７日初版１刷発行）の１２２〜１２８頁に記載されている方法で算出した。
【００４４】
図３から分かるように、一般に誘電体薄膜１４が形成されていない場合（ｄ＝０）の金属内壁面１３における反射率は、角度θが浅い（小さい）場合には、Ｓ偏光波の反射率（Ｒs）はほぼ１００％に近い値であるのに対し、Ｐ偏光波の反射率（Ｒp）は非常に小さくなる。角度θが深く（大きく）なるにつれて、Ｓ偏光波の反射率（Ｒs）は低下しＰ偏光波の反射率（Ｒp）は大きくなってθ＝９０°（入射角０°）のときは、反射面に対し偏光の向きは意味を成さなくなるので両者は一致し、そのときの理論的な反射率は９８．７％である。
【００４５】
すなわち、垂直入射の銅ミラーの反射率はこのように高い反射率を得ることができるが、本発明の導波路型ビームホモジナイザのように反射面に対して浅い角度でレーザ光が入射する場合には、入射光の偏光状態により反射率は大きく異なる。
【００４６】
一般には図３に示されているように、金属面に対する反射率は、Ｓ偏光波の反射率（Ｒs）がＰ偏光波の反射率（Ｒp）よりも大きく、レーザ光が反射面に浅い角度で入射する範囲ではその差は大きい。
【００４７】
金属内壁面１３上に誘電体薄膜１４を形成すると、Ｓ偏光波の反射率（Ｒs）は若干低下するものの、Ｐ偏光波の反射率（Ｒp）を大幅に高めることができる。また両者の反射率が一致する誘電体薄膜１４の膜厚が存在し、その膜厚よりもさらに厚くなると両者の反射率は逆転する。
【００４８】
このような金属内壁面１３上に誘電体薄膜１４を形成すると、各偏光波の反射率は誘電体薄膜１４の膜厚に依存し、膜厚の増加にしたがって周期的に変化する。
【００４９】
本発明の導波路型ビームホモジナイザ１においては、レーザ光の伝搬領域が断面矩形空間１２であるために、一つの壁面にＳ偏光のレーザ光が入射したとしても、これと直交する別の壁面ではＰ偏光のレーザ光が入射される。ビーム強度を均一化するために反射回数を増やすほど、レーザ光の偏光状態は混在化し、Ｓ偏光波、Ｐ偏光波のレーザ光の割合は平均化される。
【００５０】
そこでまず、伝送損失を最小にするため、本発明では内装する誘電体薄膜１４の膜厚をＳ偏光波の反射率（Ｒs）とＰ偏光波の反射率（Ｒp）の平均の反射率（Ｒa）が最大となる付近に定めた。
【００５１】
誘電体薄膜１４としてゲルマニウム薄膜を用いた場合、図３に示すように、Ｓ偏光波の反射率（Ｒs）とＰ偏光波の反射率（Ｒp）の平均の反射率（Ｒa）が最大となる膜厚ｄaは、角度θが１°のときは０．４６μｍと０．８６μｍ、角度θが５°のときは０．４５μｍと０．８７μｍ、角度θが１０°のときは０．４１μｍと０．９１μｍに存在し、さらに膜厚が厚い領域においても、平均の反射率（Ｒa）が最大となる膜厚ｄaは周期的に現れる。
【００５２】
平均の反射率（Ｒa）が最大となる誘電体薄膜１４の膜厚ｄa付近では、平均の反射率（Ｒa）の変化は、誘電体薄膜１４の膜厚ｄに対し鈍感であるが、Ｓ偏光波の反射率（Ｒs）とＰ偏光波の反射率（Ｒp）は一致しない。両者の反射率が一致する誘電体薄膜１４の膜厚ｄbは、誘電体薄膜１４としてゲルマニウム薄膜を用いた場合、図３に示すように角度θにほとんど依存せず、０．５６μｍと０．７６μｍに存在することがわかった。このＳ偏光波の反射率（Ｒs）とＰ偏光波の反射率（Ｒp）が一致する膜厚ｄbも、さらに膜厚が厚い領域において周期的に現れる。
【００５３】
誘電体薄膜１４の膜厚ｄが、Ｓ偏光波とＰ偏光波の平均反射率（Ｒa）が最も大きくなるときの膜厚ｄaと、この膜厚ｄaと最も近いところに存在するＳ偏光波における反射率（Ｒs）とＰ偏光波における反射率（Ｒp）とが等しくなるときの膜厚ｄbを境界として、この範囲からはずれると、反射率が急激に低下するか、あるいはＳ偏光波、Ｐ偏光波の反射率の差がより大きくなってしまう。
【００５４】
そこで本発明では、誘電体薄膜１４の膜厚ｄの許容範囲として、誘電体薄膜１４が形成された金属内壁面１３に最も深い角度θで入射するレーザ光のＳ偏光波における反射率（Ｒs）とＰ偏光波における反射率（Ｒp）の平均反射率（Ｒa）が最も大きくなるときの膜厚ｄaと、この膜厚ｄaと最も近いところに存在するＳ偏光波における反射率（Ｒs）とＰ偏光波における反射率（Ｒp）とが等しくなるときの膜厚ｄbの間の範囲となるように設定した（ｄa＜ｄbの場合は、ｄa≦ｄ≦ｄbとし、ｄa＞ｄbの場合は、ｄb≦ｄ≦ｄaとする。）。このような設定にすることによって、偏光状態に依らず高い反射率を維持し、ホモジナイザに入射されるレーザ光の偏光状態が変動する場合、例えば、レーザ治療器のようにレーザ伝送系を人の手によって任意に移動されるような場合においてもレーザ出力の変動を抑えられる。
【００５５】
本発明の具体的な実施例において、ビーム径１０ｍｍのレーザ光を焦点距離２８ｍｍの集光レンズで集光し、図１の導波路型ビームホモジナイザ１に入射することとした。このとき誘電体薄膜１４が形成された金属内壁面１３に最も深い角度で入射するレーザ光の角度θは、およそ１０°となる。すなわち本発明の実施例では、内装するゲルマニウムの膜厚範囲を０．４１μｍ以上０．５６μｍ以下となるように定めた。
【００５６】
本実施例において導波路型ビームホモジナイザ１は、より浅い角度で誘電体薄膜１４が形成された金属内壁面１３に入射するレーザ光も低次モードとして伝搬する。図３からわかるように、ゲルマニウムの膜厚範囲０．４１μｍ以上０．５６μｍ以下において、より角度θが小さい、すなわち誘電体薄膜１４が形成された金属内壁面１３に対して浅い角度で入射したレーザ光ほど反射率が高く、また偏光の違いによる反射率の差異も小さい。したがって、誘電体薄膜１４が形成された金属内壁面１３に最も深い角度で入射するレーザ光に対して、誘電体薄膜１４の膜厚許容範囲を設定すれば、その膜厚許容範囲では、より浅い角度で入射するレーザ光に対しても高い反射率を維持し反射率の偏光依存性を抑制できる。
【００５７】
なお本発明による有効な膜厚範囲は、膜厚がより厚い領域においても存在するが、本発明における具体的な実施例では誘電体薄膜の膜厚範囲は、最も薄い膜厚許容範囲（０．４１μｍ以上０．５６μｍ以下）とした。より膜厚が厚い領域において許容範囲を設定しても、すなわちゲルマニウムの膜厚を０．７６μｍ以上０．９１μｍ以下となるように設定しても本発明の効果は発揮される。しかし一般には膜厚が厚いほど、膜厚分布の均一性、膜の表面粗さ、および膜の吸収損失などの問題が生じ、光ビームの伝搬特性に悪影響を及ぼす可能性があるので、上記のように誘電体薄膜１４の膜厚範囲は、最も薄い膜厚許容範囲とする方が好ましい。
【００５８】
本発明の上記実施例では、誘電体薄膜１４として、ゲルマニウムを用いたが、他の実施例として、図４に誘電体薄膜１４としてセレン化亜鉛を用いた場合を示す。
【００５９】
図４は、上記と同じ入射レンズ系を用いた導波路型ビームホモジナイザ１を用い、銅壁面（金属内壁面１３）にセレン化亜鉛薄膜（誘電体薄膜１４）が形成された反射面に、１°（図４（ａ））、５°（図４（ｂ））および１０°（図４（ｃ））の角度θ（入射角の余角）で波長１０．６μｍのＣＯ2レーザ光が入射した場合の、セレン化亜鉛薄膜の膜厚ｄに対するＳ偏光波の反射率（Ｒs）、Ｐ偏光波の反射率（Ｒp）、およびその相加平均の反射率（Ｒa）を示したものである。この場合も、誘電体薄膜１４が形成された金属内壁面１３に最も深い角度で入射するレーザ光の角度θは、およそ１０°となるので、セレン化亜鉛薄膜の膜厚許容範囲は図４（ｃ）に示したように０．７３μｍ以上０．９１μｍ以下となる。
【００６０】
セレン化亜鉛は波長１０．６μｍにおいて、屈折率が２．４とゲルマニウムよりも小さく、より高い反射率を得ることができる。また熱暴走による吸収損失の増加も小さいことから、主にｋＷ級のレーザ加工用として適している。一方、ゲルマニウムは無毒性材料であるので、医療用レーザ治療器のハンドピース部に装着される導波路型ビームホモジナイザとして有用である。
【００６１】
赤外レーザ用の導波路型ビームホモジナイザにおいては、上記したゲルマニウムやセレン化亜鉛以外にも、硫化亜鉛、フッ化カルシウム、酸化銅、ヨウ化銅などが赤外波長帯において透明となり本発明の効果が発揮される。また近赤外以下の波長帯のレーザ用に対しては、石英材料が透明となり効果的である。
【００６２】
また、これらの誘電体薄膜１４は、スパッタリングや蒸着法によって形成されるが、銅化合物である酸化銅あるいはヨウ化銅を誘電体薄膜１４として用いる場合には、銅材料からなる金属内壁面１３の表面を酸化あるいはヨウ素化して誘電体薄膜１４（酸化銅あるいはヨウ化銅）としてもよい。
【００６３】
図１の導波路型ビームホモジナイザ１の断面矩形空間１２は断面正方形構造であるが、これに拘らず、例えば図５のように断面長方形構造でもよい。
【００６４】
なお本発明の導波路型ビームホモジナイザ１は、これを構成する４つの金属部材は、図１のように断面形状が４つとも同一か、あるいは図５のように少なくとも断面矩形空間５２において相対する部材同士の断面形状が同一であるとした。これにより、断面矩形空間を形成する各部材壁面の研磨、あるいはその壁面上に所望の誘電体薄膜を成膜する工程に際し、一括あるいはより少ない処理工程で製造可能となるため、製造コストを低減できる。
【００６５】
また、４つの金属部材を組立てて成す導波路型ビームホモジナイザ１の外形断面は円形になるようにしたので、例えばレーザ治療器のハンドピース部に装着される際にも、ペンのように手に持ちやすい構造とすることができる。
【００６６】
さらに、図６は、本発明の別の実施例である導波路型ビームホモジナイザ６を示したものであり、（ａ）はレーザ光の入射側から見た正面図であり、（ｂ）は側面図を示したものである。
【００６７】
レーザ光の入射側は円形の入射口６５を有し、レーザ光が伝搬する空間は、長手方向に対し断面円形空間から、入射口６５の口径よりも小さい一辺をもつ断面矩形空間６２へ滑らかに変換されるようにしたものであり、すなわち、断面矩形空間６２は、レーザ光が入射される円形の入射口６５に向かって拡径する円錐側面形状を成す断面形状変換部６７に接続されている。
【００６８】
このような構造により、集光レンズを用いずとも、レーザ光源からのレーザ光を直接入射させることができる。なお、この入射側の円錐側面形状を成す断面形状変換部６７の内壁面もまた研磨加工により滑らかで、誘電体薄膜が成膜されているのが好ましく、この場合、断面形状変換部６７の内壁面に形成された誘電体薄膜の膜厚は、断面矩形空間６２に形成された誘電体薄膜１４の膜厚と等しくなるように形成する。
【００６９】
図１、５、６の実施例において、導波路型ビームホモジナイザを構成する４つの金属部材（中空金属部材１０、５０、６０）には無酸素銅を用いた。無酸素銅は熱伝導率、反射率、価格において本発明の導波路型ビームホモジナイザに最も適した材料である。研磨した無酸素銅の面は活性で変質されやすいが、誘電体薄膜を被覆することにより、長期安定した特性を得ることができる。
【００７０】
無酸素銅は熱伝導に優れ、レーザ光の損失により発生する熱を放出する上でも有利であり、特に金属部材を水冷することによる冷却効果は大きく、各種金属の表面処理などｋＷ級のレーザ光を扱うことも可能である。
【００７１】
本発明の導波路型ビームホモジナイザの実施例は、上述のようにＣＯ2レーザ用について説明したが、それ以外のＣＯレーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、自由電子レーザ、量子カスケードレーザなど他の赤外レーザ、あるいは近赤外以下の波長帯のレーザにおいても、それぞれの波長帯で透明な誘電体材料を使用することによって、本発明の効果は発揮される。
【００７２】
以上述べたように、本発明によれば、高出力のレーザ光に対しても、十分光学的、熱的に耐久性があり、しかも安価で機械的に強固な導波路型ホモジナイザを提供することができる。また、導波路型ビームホモジナイザの伝送損失、レーザ光の偏光依存性を極めて小さく抑えることができる。さらにはレーザ治療器の伝送路先端に装着されるハンドピース部の小型部材内にも容易に収納できる大きさにすることが可能で、そのためペンのように手に持ってレーザ光を操作させることも容易である。あるいは金属表面処理を可能とするようなｋＷ級の大電力レーザ光に対しても、破壊閾値が高く、安定した導波路型ビームホモジナイザを提供することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１、５、６  導波路型ビームホモジナイザ
１０、５０、６０  中空金属部材
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ  金属部材
１２、５２、６２  断面矩形空間
１３、５３、６３  金属内壁面
１４、５４、６４  誘電体薄膜
１５  ねじ穴
２１  レーザ光
【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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