(57)【要約】【課題】ガウシアン分布をもつレーザビームを、ホモジナイザＤＯＥを使ってある範囲でほぼ均一の強度分布にし、さらにそれを分岐作用をもつＤＯＥによって多数の分岐ビームに分けたとき分岐ビームの微視的な強度は空間的に一様でなく揺らいでいる。分岐ビームの強度の揺らぎを減らすための工夫が望まれる。【解決手段】ホモジナイザＤＯＥの焦点の位置に、ビーム寸法より大きい寸法の開口部をもつアパーチャマスクを設け、ビーム外のノイズ部分を遮断する。ビームの一部をカットしてしまってはいけないので、ビーム寸法より大きい窓のアパーチャマスクを使い、ビームが窓に触れないように設定する。【選択図】        図１
2004230432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心でエネルギー密度が高く周辺で低いレーザビームをある範囲でほぼ均一のエネルギーを有する２０〜１００の有限次数のスーパーガウシアン分布のビームに変換するホモジナイザ回折型光学部品（ＤＯＥ）と、ホモジナイザＤＯＥの焦点位置に設けられホモジナイズされたビームのサイズより大きい開口部を有するアパーチャマスクと、アパーチャマスクを通過したスーパーガウシアン分布ビームを複数の方向に分離された分岐ビームに分離する分岐回折型光学部品（ＤＯＥ）と、スーパーガウシアン分布の分岐ビームを被処理物の存在する像面の複数点に集光するレンズとからなることを特徴とする一括多点ホモジナイズ光学系。
【請求項２】
ホモジナイザＤＯＥが、半径ａで円形分布するほぼ均一なスーパーガウシアン分布ｅｘｐ｛−２（ｒ／ａ）ｍ｝に変換する（ｍ＝２０〜１００）ものであり、アパーチャマスクが半径ｃの円形開口部を有するものであり、ａ＜ｃであることを特徴とする請求項１に記載の一括多点ホモジナイズ光学系。
【請求項３】
ホモジナイザＤＯＥが、２ａ×２ｂの矩形状に分布するほぼ均一なスーパーガウシアン分布ｅｘｐ｛−２（ｘ／ａ）ｍ−２（ｙ／ｂ）ｎ｝に変換する（ｍ，ｎ＝２０〜１００）ものであり、アパーチャマスクが２ｃ×２ｄの矩形状の開口部を有するものであり、２ａ＜２ｃ、２ｂ＜２ｄであることを特徴とする請求項１に記載の一括多点ホモジナイズ光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザなどハイパワーのレーザの不均一分布ビームの強度分布をある範囲で均一なトップハット型の分布に変換し、さらにＤＯＥなどで多数のビームに分岐して被処理物（対象物）に照射して、同時に多数点で、熱処理、穴穿孔、溶接、研磨などの加工、処理を一括して行うようにしたレーザ加工用装置の改良に関する。
【０００２】
気体レーザ、固体レーザのビームは中心で強度が高く周辺部では低いというような軸対称の不均一強度分布を持っている。それはだいたいガウシアンビームであり一様な強度ではない。そこでビームを広げて平行拡大ビームとして、それを強度が均一になるように変換する。
【０００３】
それは例えば、強度変換レンズＬ１、位相補正レンズＬ２よりなる２枚のレンズの組によってなされる。強度変換レンズＬ１は中央凹レンズ部で中心部分のビームを広げ周辺の凸レンズ部分でビームを狭めて強度を大体同一にする。それだけだと位相がバラバラになるので、強度変換レンズと相補的な厚みをもった位相補正レンズＬ２で位相を合わせる。つまり位相補正レンズＬ２の出口で位相は一様になるようにする。
【０００４】
そのように強度をある範囲（ある直径の範囲）で一様になるようにする事をホモジナイズとここでは呼ぶことにする。均一強度のビームを得るためには単に振幅をある範囲で均一にすれば良いのかというとそうではない。ビームは光なのであるから振幅と位相をもつ。ある点で強度が均一なビームになったとしても位相が揃っていなければ、その後の伝搬によって振幅自体も乱れてしまい質の良い均一ビームにはならない。だからホモジナイズというのは振幅だけを一定レベルに揃えるだけでは不十分であり位相も揃えるというのが望ましい。位相はつい影に隠れてしまうので均一化においてもれてしまうが平面波というのは位相も揃って初めて平面波なのであるから、ある点で強度を均一（トップハット型；ｒ≦ａで１、ｒ＞ａで０）にしたときに位相も揃っているということが要求される。
【０００５】
【従来の技術】
トップハット型の均一強度分布を作るための方法としてはいくつも提案されている。
【０００６】
（１）ビーム分割法
カライドスコープ、セグメントミラーなどレーザビームを分割して、それを重ね合わせるというような方法である。レーザビームを二次元的に格子状に分割し、それらのビームを全て同じ点に集結させる。しかし、多数のビームを重ね合わせるため、それぞれのビームの干渉により均一強度は得られない。さらに、位相が全く乱れてしまうから集結点で被処理物に照射するという場合はよいのであるが、集結点からさらに伝送、伝搬させるという場合は不適である。位相が揃っていないしビームの方向も乱れており集結点以後ではバラバラのビームになってしまうからである。
【０００７】
（２）強度変換レンズ・位相補正レンズの組み合わせ
▲１▼ＵＳＰ３，４７６，４６３（Ｊｕｓｔｉｎ  Ｌ．Ｋｒｅｕｚｅｒ）は中央部が凹レンズで周辺部が凸であるような強度変換レンズＬ１と、それに相補的な厚みをもつ位相補正レンズを組み合わせた均一光学系を提案している。強度変換レンズによって中央の強度の強い部分を広げ周辺の強度の弱い部分の間隔を狭め強度を一様にして位相補正レンズに入射している。強度はほぼ同一であるが位相は乱れているから位相の遅れた部分は厚く進んだ部分は薄くした位相補正レンズを通すことによって、平行であって位相が揃っており強度も均一のトップハットビームが得られるとしている。
【０００８】
位相補正レンズは中央部が凸で周辺部が平面に近いレンズであり、強度変換レンズと相補うような厚みの分布となっている。位相補正レンズの直後では均一強度で平行ビームになっている。平行ビームなのでどこまで伝搬してもビームのエネルギー密度は不変で、いつまでも均一の筈である。
【０００９】
▲１▼は解析的な計算によって両方のレンズの曲面の厚み分布関数を求めている。入射レーザビームの強度分布がわかればＬ１、Ｌ２の曲面が完全に解析的に決まる。これはビームをある範囲で均一にできるがビームの拡大、縮小というようなことはできない。それに完全にトップハットになっているので、その後均一ビームが伝搬すると位相乱れがおこり均一になった強度分布も崩れてしまう。
【００１０】
▲２▼特開平１０−１５３７５０号「レーザビーム整形光学部品」は、拡大縮小が可能であり、しかもトップハット型のビームを与えるような２枚のレンズ系を提案している。前方に強度変換レンズがあり後方に位相補正レンズを設けたところは同じである。しかし拡大縮小を可能とするので強度変換レンズと位相補正レンズの限界半径（均一ビームの半径）でビームはもはや平行でないから解析的に計算することは難しい。
【００１１】
そこで波動光学的な手法によってレンズ厚みＬ１（ｒ）、Ｌ２（ｒ）を仮定して与え第２レンズの通過面での振幅や位相が一定だという結果をもたらすような厚み分布を求めている。位相補正レンズの後面では強度が均一の平行ビームになる。平行なので、どこまでいっても強度は均一だということになる。波動光学の計算は一方向だから結果から逆算できず繰り返し仮定を変更して所望の結果に近くなるような解を求めるようにする。いくつもの解が生ずるが一定の評価基準によって、その内から最適のものを選び出す。
【００１２】
計算量は多いがコンピュータを使うのだから、それは問題にならない。従来例▲１▼のように真に位相補正ができている訳でないから解がいくつも出るのである。▲１▼は位相補正を厳密に行わせるから解は一つしかなかった。しかし従来例▲２▼は位相がやはり乱れており乱れも様々なので多様な解がありうる。
【００１３】
解が一義的でないのは、所与のレンズ厚み分布からレンズ背面での強度分布へ向かう計算をするからである。▲１▼は解析的、▲２▼は計算機による経験的な方法である。いずれも非球面レンズを用いて強度変換と位相補正をすることによってトップハットの強度分布を作り出す。▲１▼は一義的に解が求まるが非球面レンズであるからレンズの作製はやはり難しい。
【００１４】
▲３▼Ｆｒｅｄ  Ｍ．Ｄｉｃｋｅｙ，  Ｓｃｏｔｔ  Ｃ．  Ｈｏｌｓｗａｄｅ，”Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ  ｓｈａｐｉｎｇ”，    Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  Ｖｏｌ．３５  Ｎｏ．１１，  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９６，  ｐ３２８５−３２９５これは２〜３枚のレンズを用いてガウシアンビームをある範囲で一定強度を有するビームプロフィルに変化させるものである。レンズの組み合わせでトップハット型のビームを得ることができる。
【００１５】
▲４▼Ｆｒａｎｋ  Ｗｙｒｏｗｓｋｉ，  ”Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ：  ｉｔｅｒａｔｉｖｅ  ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｉｚｅｄ，  ｂｌａｚｅｄ  ｐｈａｓｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，  Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ａ，  Ｖｏｌ．７，  Ｎｏ．６，  Ｊｕｎｅ  １９９０，  ｐ９６１−９６９
【００１６】
これは回折型光学部品によってビームを回折し例えば”ＵＮＩ  ＥＳＳＥＮ  ＦＲＧ”のような文字を像面に浮かび上がらせるようにしている。
【００１７】
▲５▼特開２００２−２０２４１４号「ビーム変換素子、該ビーム変換素子を用いた照明光学系、露光装置、レーザ加工機及び投射装置」
これは２枚のホログラム素子を使ってガウシアンビームを均一強度ビームにするような光学系を提案している。
【００１８】
▲６▼特開平９−６１６１０号「バイナリーオプティクス及びそれを用いた集光光学系並びにレーザ加工装置」
これは回折型光学部品によって山形強度分布（ガウシアン）を平坦均一分布のビームに整形するようにしたものを提案している。
【００１９】
▲７▼ＵＳＰ６，４３３，３０１（Ｄｕｎｓｋｙ  ｅｔ  ａｌ．）”Ｂｅａｍ  Ｓｈａｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  ＵＶ  Ｇａｕｓｓｉａｎ  Ｂｅａｍ  ｔｏ  Ｆｏｒｍ  Ｖｉａｓ”これはＤＯＥによってガウシアンビームをトップハット型に変換し集光して被処理物に穿孔、加工する装置を提案している。焦点にできるトップハット像をレンズによって被処理物面に集光しているだけである。
【００２０】
▲８▼特願２００２−１４９１０１号「レーザビーム整形用レンズとレーザビーム整形用レンズの設計方法」
これはビームの直径を縮小拡大できる一般性をもち、しかもエッジの急峻な分布をスーパーガウシアンによってなだらかにしておりビームが後方で乱れないようにしている。ビームホモジナイズを極端にしてしまう（トップハット）とかえって後で位相、強度が乱れるので、やや緩やかなホモジナイズとしている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
均一強度分布のビームを作り出し、それをＤＯＥなどによって多数の分岐ビームに分割し対象物の多数の点に同時照射して多数点において穿孔、熱処理、加工などを行うのが目的であるから、ある点で一旦均一ビームになったというだけでは不十分である。
【００２２】
その均一点より以後で、さらにビームが空間伝搬するのだからビームが広がったり曲がったり位相がずれたりする可能性がある。ビームを回折させて分岐させるということであれば、さらにビームの位相の均一性が強く要求される。
【００２３】
しかし前記の従来例▲２▼の波動光学的な試行錯誤の計算によるものは決定的な解というものがなくて強度が均一となる基準点より後方では伝搬を重ねて強度分布プロフィルが崩れてしまう。さらに、それを回折によって分岐させると、分岐ビームの強度が一様でないようになる。
【００２４】
それは基準点での強度分布があまりに急峻なエッジをもつからであると本発明者は考えた。エッジにおける急激な強度非連続性が基準点以後での回折を引き起こし、強度が乱れるのであろうと思われる。
【００２５】
そこで本発明者等はトップハット（ｒ≦ａで１、ｒ＞１で０）の代わりにエッジをなだらかにしたスーパーガウシアンを目標ビームの強度分布として採用することにした。ガウシアンは半径ｒの２乗に比例する項ｒ２がｅｘｐ（）の中に存在するが、スーパーガウシアンというのは半径ｒのｎ乗に比例する分布をいう。ｅｘｐ｛−２（ｒ／ａ）ｎ｝というような分布である。
【００２６】
ｎがスーパーガウシアンの次数である。ｎが２のときガウシアンとなる。ｎが無限大でトップハットになる。有限のｎと無限大のｎの間には大きな飛躍があり、トップハットにしてしまうと、ｒ＝ａで急峻な強度変化を生じるため、伝搬とともにビーム形状が急速に崩れてしまうのである。本発明者はｎを数十の値としたスーパーガウシアンを目標の強度分布として、エッジをなだらかにすることによって以後の伝搬でのビーム形状の崩れを低減できるということに思い至った。
【００２７】
それで目標の均一化ビームをトップハットでなくスーパーガウシアンとしたのが本発明者による改良である。半径ａの円形ビームとせず、２ａ×２ｂの矩形のスーパーガウシアンビームとすることもできる。その場合はｅｘｐ｛−２（ｘ／ａ）ｍ−２（ｙ／ｂ）ｎ｝というように二次元の分布関数として表現できる。スーパーガウシアンの次数がｍ、ｎ、サイズは２ａ×２ｂとなるが、煩雑であるから、それらも含めて簡単に半径ａのビームということで以後説明する。また、２ａ×２ｂ領域より内側の強度が均一となる領域を均一領域と呼ぶこととする。
【００２８】
さて、レンズによってビーム強度を均一にすることができるが、それは非球面レンズを用いることが必要でありレンズの製作は容易でないということもある。
【００２９】
レンズの場合は非球面レンズであるが曲面は半径ｒの連続関数として変化しておりレンズの半径は大きくて回折が起こりにくいからホモジナイズしたときのビームの乱れは小さいのである。ところがレンズでできることは回折型光学部品（ＤＯＥ）でもできるはずであり、ＤＯＥによってホモジナイズするという選択肢もありうる。
【００３０】
ＤＯＥの場合は反射型と透過型がある。どちらでも原理は同じようなものでありレンズとの対応で透過型のものを考えることとする。透過型のＤＯＥは厚みを自由パラメータとした縦横に並ぶ一定面積の画素の集合である。それぞれの画素は離散化され、例えば１６通りとか３２通りというように何れかの厚みをとるようになっている。
【００３１】
例えば凸レンズや凹レンズは同心円状の隆起をもつフレネルレンズによって置き換えることができる。フレネルレンズはアナログ量をデジタル量に置き換え変化領域を画素に置き換えることによって回折型光学部品とすることができる。それと同様にホモジナイズもレンズでなくて、それを置換したＤＯＥによってなすこともできる。
【００３２】
ＤＯＥによってレーザビームをトップハットにすることもできるはずであり、また本発明者の先願にあるようにスーパーガウシアン（ｎが数十）のビームにもすることができるはずである。
【００３３】
本発明はＤＯＥによってレーザビームをスーパーガウシアンにした場合を問題にする。スーパーガウシアンを作るＤＯＥ自体が本発明の目的でないから、そのようなホモジナイズ用のＤＯＥ（ホモジナイザＤＯＥと呼ぶ）の構成についてはつまびらかにしない。
【００３４】
そのようなＤＯＥがあるとしてその問題を述べる。レンズによるホモジナイザと違って、ビームを回折させ分岐させ、さらにそれを集結させてエネルギーが均一であるような分布を作る。それはレンズの場合のように位相補正レンズの直後というような決まりはないがＤＯＥによって決まるある一定の距離に均一面がある。ここを基準面と仮に呼ぶ。
【００３５】
その後、分岐用の回折型光学部品（ＤＯＥ）を通し一つのビームを縦横に並ぶ多数の独立したビームに分岐する。分岐ビームをレンズによって集光し対象物（被処理物）面において等間隔に並ぶ多数の縦横スポットに照射するようにする。
【００３６】
その場合、一連の光学系はホモジナイザＤＯＥ、分岐用ＤＯＥ、レンズ、対象物というような４つの要素からなる。
【００３７】
多数のビームに分けることができるがビームの口径が狭すぎるとその内部での強度分布が分かりにくいので、大きい３〜５つの分岐ビームを発生させてスポット内での強度の分布を調べた。そうすると３〜５つのスポットにおいて強度が一様でなく場所によって揺らいでいる事が分かった。
【００３８】
その理由を考えてみた。ホモジナイザＤＯＥで基準位置に均一強度のビームが形成されるのであるが、その周辺に必ずノイズ光が発生する。ＤＯＥによってビームを分割し回折させてホモジナイズしているから多くのノイズ光が発生する。それは分岐用ＤＯＥで同じように回折されて、対象物の目標のスポットへ入る。対象物の目標点では均一ビームとノイズが重なり互いに干渉するため、強度の揺らぎを引き起こす。
【００３９】
そのように考えてみれば分岐ビーム強度が不均一となる原因が分かる。
【００４０】
そこでノイズ光を遮断するために基準位置にアパーチャマスクを入れてみた。アパーチャマスクは開口部（窓：２ｃ×２ｄ）を有する遮蔽用の板である。開口部直径は当然にビームの外径ａより狭くて、ビームの中央部は通すが、周辺部は遮蔽するような作用がある。アパーチャマスクの開口部はビームが円形であれば、同じく円形でよい。ビームが矩形状であれば、それに合わせて２ｃ×２ｄの矩形状の開口部とすることもできる。窓の大きさを２ｃ、２ｄと言うのは面倒なので、２ｃで代表させ、半径ｃというように表現する。マスクの窓は基準面におけるスーパーガウシアンレーザビームより狭いので、２ａ＞２ｃ、２ｂ＞２ｄであるが、それを簡単に２ａ＞２ｃでまとめて表現することにする。
【００４１】
アパーチャマスクを基準位置に置くのは、そこでホモジナイズされているからである。レンズによるアパーチャマスクの像が、対象物面に形成される。そのような関係である。
【００４２】
窓の周辺部に当たるレーザビームは遮蔽されるから、そこで消滅する。アパーチャマスクの窓によって以後のビームの断面が決定される。
【００４３】
ホモジナイザＤＯＥでスーパーガウシアンの擬均一性ビームを基準位置に作り、そこにアパーチャマスクを置き、それを多数のビームに分岐するための回折型光学部品を使ってビーム分岐し、レンズで集光して被処理物面多数点に照射する。レンズは通常のｆｔａｎθレンズでもよいが、ｆｓｉｎθレンズを使うと対象物面で等間隔にスポットを形成することができる。
【００４４】
像面の多数点において穴穿孔、溶接、熱処理、その他の熱的、光学的な処理を同時平行して行うことができる。
【００４５】
その場合、処理によっては、被処理物の多数点においてビームの強度が均一ということが要求される。それは、それぞれの処理点における処理の質を同一にするために必要である。個々の処理点において空間的にレーザ強度がばらついていてはいけないのである。
【００４６】
上に述べた光学系は単純化すれば、図１に示すように、ホモジナイザＤＯＥ３、アパーチャ４、分岐ＤＯＥ５、レンズ６、被処理物（像面）７というものである。スーパーガウシアンの強度分布となるような擬均一のビームがアパーチャ位置にあり、それが分岐ＤＯＥで分岐ビームとなりレンズで多数点のスポットとして集光照射される。アパーチャマスクのレンズ６による像面が被処理物の位置になっている。
【００４７】
そのような多点一括処理光学系にも未だ問題があることが分かった。それは次のようなことである。
【００４８】
アパーチャマスク４でスーパーガウシアンｅｘｐ｛−２（ｒ／ａ）ｎ｝の強度分布をもち半径ａでは大体強度は均一になっている筈である。それをより狭い開口部（直径２ｃ；２ｃ＜２ａ）をもつアパーチャマスクで周辺部（ｃ＜ｒ＜ａ）を除去することになる。アパーチャでの強度の乱れはビームの周辺部（ｒ＝ａ）にあり、それをアパーチャマスク（ｒ＝ｂ）で切って捨てるので良質の部分だけが残ることになる。だから、それが回折され分岐ビームになり対象物の多点に照射されると均一強度の整ったビームになる筈である。良質の部分だけを選び強度や位相の乱れのある部分を排除するのだからマスクによってビームの均一性は上がるはずである。
【００４９】
その筈であるが実はそうでないことがわかってきた。そのようにしても、像面でのスポットの強度の空間分布はやはり大きく揺らいでいるという事が分かった。アパーチャマスクを使って基準位置でのビームの一部をカットするので、周辺部ｃ＜ｒ＜ａの部分の光がカットされることになる。アパーチャでの均一性は上がるのであるが、その後かなりの距離を空間伝送するので、回折現象が顕在化して被処理物面での各スポットの強度は不均一で揺らぎの多いものになったのである。
【００５０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ装置で発生したハイパワービームを強度を均一化するホモジナイザと、ホモジナイズされた基準位置に置かれたアパーチャマスクと、均一化されたビームを分岐する分岐用ＤＯＥと、分岐ビームを集光するレンズと、被処理物よりなる系において、アパーチャマスクの開口部直径２ｃをビーム直径２ａより狭くするのではなくて、より広くする（２ｃ＞２ａ）。全くアパーチャマスクがないというのではなくて、アパーチャマスクは存在するのであるが、窓の面積がその位置に存在するビームの実効断面積より大きいものにするということである。
【００５１】
ホモジナイザを経たレーザビームが半径ａのスーパーガウシアンビームだとすると、窓は半径ｃの円形窓として、ビーム半径より大きいものとする。ｃ＞ａである。直径でいえば２ｃ＞２ａである。窓の方がビームより広いということが重要である。
【００５２】
ホモジナイザを経て矩形（２ａ×２ｂ）のスーパーガウシアンビームとなっている場合は、アパーチャマスクの開口部を矩形としても良いが（２ｃ×２ｄ）、その場合でも、窓（２ｃ×２ｄ）はビーム（２ａ×２ｂ）より広いものとする。２ｃ＞２ａ、２ｄ＞２ｂというような制限を課すことにするのである。
【００５３】
窓（開口部）があまりに広すぎても意味がない。広すぎるとマスクがないのと同じだからである。ホモジナイザＤＯＥによって窓とビームの間隙の許容最大値は変動するのであるが、窓の寸法は、大体ビーム径の２倍より小さいことが必要である。
【００５４】
つまりホモジナイズされたものが半径ａの円形ビームであれば、アパーチャマスク窓の半径ｃは
【００５５】
ａ＜ｃ＜２ａ
【００５６】
の程度である。ホモジナイザＤＯＥでホモジナイズされたものが２ａ×２ｂの矩形ビームであれば、アパーチャマスク窓（２ｃ×２ｄ）は
【００５７】
２ａ＜２ｃ＜４ａ  、２ｂ＜２ｄ＜４ｂ
というような制限がある。
【００５８】
【発明の実施の形態】
透過材料が存在する熱加工用のハイパワーレーザの全てに本発明を利用できる。例えば、
【００５９】
炭酸ガスレーザ（ＣＯ２）    波長９μｍ〜１１μｍ
固体レーザ                  波長２００ｎｍ〜１１００ｎｍ
【００６０】
などである。
【００６１】
ＤＯＥは透過型だから、その波長に対して透明な材料を用いる必要がある。炭酸ガスレーザの１０．６μｍの場合はＺｎＳｅをＤＯＥ、レンズの材料とする。ＹＡＧ第２高調波（５３２ｎｍ）の場合は石英をＤＯＥ、レンズの材料とすることができる。
【００６２】
アパーチャマスクは不透明の材料であるから金属、セラミック板を用いることができる。
【００６３】
本発明のアパーチャマスクはビームの中まで切り込まず、周辺部をカットするというものでありその原理は分かりにくい。実施例によってその作用を述べるがそれに先立ち、図１９、２０によってその作用を述べる。
【００６４】
図１９はホモジナイザＤＯＥによってアパーチャマスクの位置において形成する強度分布を示す。長さ２ａにおいてほぼ一定の強度分布をもつが、エッジの外側にも微小なノイズをもつ。それはＤＯＥによるからどうしても発生するものである。
【００６５】
図２０は図１９の強度分布のエッジの部分を拡大した分布図である。図２０において、縦線Ｘ−Ｘより右がエッジ部分と均一ビーム中心部で、左がビーム外の部分（ノイズ領域）である。ノイズ領域の僅かな光はアパーチャマスク位置では均一ビームの外にあるが、その後の分岐によって均一ビームが像面上に複数並べられると、それぞれの均一ビームの外側にあるノイズが均一ビームと重なり合うことで互いに干渉し、均一性を低下させるのである。
【００６６】
そこで本発明は縦線Ｘ−Ｘより左側のノイズ領域を遮蔽するためにビームよりやや広い窓のアパーチャマスクを置く。その目的は図２０のノイズ領域のノイズを遮断することである。アパーチャマスクでノイズ光を除去しておくとノイズ光がビーム中心に入って分布を乱すというようなことはない。開口部の有効な範囲はＤＯＥに依存して決まる。ＤＯＥがノイズをビームの外側のどの範囲に生成するのか？ということによる。一概にいえないが、ビーム寸法の２倍程度に大体ノイズは収まるのでマスク開口部の寸法の最大はビーム寸法の約２倍程度である。
【００６７】
そのような広開口部でなく狭開口部のマスクを使ったとすると、図２０でＹ−Ｙの部分より左の部分をカットすることになる。その部分はアパーチャマスクでは端にあるが、それは必要な部分であってカットしてしまうと以後の伝搬において悪影響が出る。トップハットでは以後の伝搬によってかえってビームの強度分布が乱れるということを先に述べた。トップハット（ｒ≦ａで１、ｒ＞ａで０）は良いようであるがエッジが急峻であるから以後の光の伝搬で強い回折を伴いビームプロフィルが大きく乱れる。
【００６８】
トップハットでなく、スーパーガウシアンにしてエッジを滑らかにしたのは以後の伝搬によっても回折が強く起こらずビーム乱れが起こらないようにするためである。ところが狭開口部のマスク（Ｙ−Ｙカット）を使ってしまえば、苦心のスーパーガウシアンのエッジの部分を全く排除することになってしまう。スーパーガウシアンによるビーム形状保持効果がなくなってしまうのである。だから狭開口部のマスクを使ってはならない。実際狭開口部マスクを使うとエッジ分布にオーバーシュートが出現する。そのようなわけで、本発明のマスクは図２０のＸ−Ｘのようなところに窓の縁があり、外側のノイズ光を遮断するようになっている。
【００６９】
次に以下の説明で必要になる用語の幾つかの定義について述べる。
［注１：ホモジナイザの回折効率の定義（図１８）］
ホモジナイザＤＯＥの回折効率は図１８に示すような強度分布において、最大強度を１００％とした場合の強度が１％以上の領域のエネルギーの割合ということであり、入射エネルギーに対する比率で表す。
【００７０】
［注２：分岐ＤＯＥの分岐強度均一性の定義］
分岐強度均一性の上限、下限は、平均強度、最大強度、最小強度を用いて次のように定義する。
【００７１】
【数１】
2004230432.tif 000003
【００７２】
［注３：分岐ＤＯＥの最大ノイズ強度］
分岐ＤＯＥの最大ノイズ強度は、分岐光平均強度に対する、最大ノイズ強度の割合として計算する。
【００７３】
［注４：ホモジナイザＤＯＥの強度均一性の定義］
均一性の上限、下限は、均一領域における平均強度、最大強度、最小強度を用いて次のように定義する。
【００７４】
【数２】
2004230432.tif 000004
【００７５】
【実施例】
ＹＡＧ第２高調波を光源とする実施例、比較例を述べる。実施例ではホモジナイズビームより少し大きい開口部のアパーチャマスクをホモジナイズＤＯＥ焦点距離に置く。
【００７６】
比較例１ではアパーチャマスクを設けない。比較例２ではホモジナイズビームより小さい開口部のアパーチャマスクをホモジナイズＤＯＥ焦点距離に置いている。
【００７７】
［１．実施例（アパーチャマスク開口部が少し大きい場合；図４〜１１）］
１．レーザビーム（ホモジナイザＤＯＥ入射位置で）
波長：λ＝５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザ第２高調波）
ビーム径：φ２ｍｍ
発散角：０ｍｅａｄ（平行光）
モード：ＴＥＭ００
【００７８】
２．ホモジナイザＤＯＥ
回折効率：９５．９２％
ピクセルサイズ：５μｍ×５μｍ
位相段数：  １６段階（各段の段差は図２に示す）
ピクセル数：  ８００セル×８００セル
基板材質：合成石英（屈折率ｎ＝１．４６＠λ＝５３２ｎｍ）
基板サイズ：φ５０ｍｍ×５ｍｍｔ
焦点距離：  ７０ｍｍ（焦点位置での強度分布形状は図５の通り）
形状：    １．２ｍｍ（１／ｅ２径）×０．６ｍｍ（１／ｅ２径）
均一領域：  １．０ｍｍ×０．５ｍｍ
スーパーガウシアン次数：３０次×３０次
両面ＡＲコート付き（透過率９９％以上）
（つまり、２ａ＝１．２ｍｍ、２ｂ＝０．６ｍｍ、ｍ＝３０、ｎ＝３０、ｆ１＝７０ｍｍ、ｈ＝１６ということである。）
【００７９】
３．アパーチャマスク
サイズ：１．３６５ｍｍ×０．７３５ｍｍ
（つまり２ｃ＝１．３６５ｍｍ、２ｄ＝０．７３５ｍｍということであり、ａ＜ｃ、ｂ＜ｄである。）
【００８０】
４．分岐ＤＯＥ
回折効率：６７．５％
均一性：  上限＋０．７１％、  下限−１．１８％
最大ノイズ強度：  ５．８％（シグナル平均比）
位相段数：  １６段階（各段の段差は図２と同じ）
ピクセルサイズ：  ５μｍ×５μｍ
ピクセル数（１周期）：    ３２セル×３２セル
基板材質：合成石英（屈折率ｎ＝１．４６＠λ＝５３２ｎｍ）
基板サイズ：φ５０ｍｍ×５ｍｍｔ
両面ＡＲコート付き（透過率９９％以上）
分岐数：  ３分岐
分岐ピッチ：  ０．３２１ｍｍピッチ（ｆ２＝８０ｍｍの場合）
各分岐光サイズ：０．２４ｍｍ（１／ｅ２径）×０．１２ｍｍ（１／ｅ２径）
【００８１】
５．レンズ
焦点距離：ｆ２＝８０ｍｍ
有効径：φ２５ｍｍ
基板材質：合成石英（屈折率ｎ＝１．４６＠λ＝５３２ｎｍ）
基板サイズ：φ３０ｍｍ×３ｍｍｔ
転写倍率：−１／５
【００８２】
６．光路図
図３の通りに上記の光学部品を直線上に配置した。ホモジナイザＤＯＥ３とアパーチャマスク４間は７０ｍｍ、アパーチャマスク４と分岐ＤＯＥ５間は４００ｍｍ、分岐ＤＯＥ５とレンズ６の距離は８０ｍｍ、レンズ６と像面７の距離は９６ｍｍである。
【００８３】
ＹＡＧレーザは１．０６μｍの波長で発振するが、ここではもっと短い波長が必要な処理を対象とするので第２高調波λ＝５３２ｎｍを用いている。それは可視光であるから石英レンズを使うことができる。５３２ｎｍに対する屈折率が１．４６の合成石英をレンズや透過型ＤＯＥの材料として用いている。ＤＯＥの場合は全段差が１波長分に対応するようにする。段差の数をｈとすると、一つの段差はλ／ｈ（ｎ−１）である。一つの段差は７２．２ｎｍであり、全段差は１１５４．７ｎｍである。かなり大きい段差になるが、それは石英の屈折率が小さいからである。
【００８４】
本発明は炭酸ガスレーザにも用いることができる。その場合発振波長はλ＝１０．６μｍとなるので、レンズはＺｎＳｅということになる。ＺｎＳｅはｎ＝２．４と高いが、波長が長いので１波長差に対応する段差λ／ｈ（ｎ−１）はもっと大きくなる。
【００８５】
ホモジナイザＤＯＥの位置においてレーザビームは平行ビームであり直径は２ｍｍのビームとなっている。それは（１／ｅ２）に減衰した位置で測定した直径である。
【００８６】
ホモジナイザＤＯＥは、５μｍ角のセルが８００個×８００個で分布するので、全体で４ｍｍ×４ｍｍのサイズとなる。石英基板は５０ｍｍφで５ｍｍ厚であり、その中央部に微細凸凹構造パターンを作製している。ホモジナイザＤＯＥの焦点距離ｆ１というのはホモジナイザＤＯＥが集光作用をもちアパーチャマスクの位置に像を結ぶということである。ＤＯＥは回折部品であるからフラウンホーファー型（フーリエ変換だけ）のものもあるがレンズと組み合わせたフレネル型（フーリエ変換＋レンズ）のものもある。ホモジナイザＤＯＥとしては凸レンズの作用を兼ね備えたＤＯＥとしているということである。
【００８７】
ホモジナイザは円形ビームを矩形ビームとするものであり、スーパーガウシアン関数がｅｘｐ｛（−２（ｘ／ａ）ｍ−２（ｙ／ｂ）ｎ｝と書けるのであるが、２ａ＝１．２ｍｍ、２ｂ＝０．６ｍｍの矩形断面のスーパーガウシアンビームとしているのである。測定の位置が（１／ｅ２）というのは中心部に比較して強度がそれだけ低下した位置ということで上の式のａ、ｂ（１／ｅ２ｍの半径）に等しい。スーパーガウシアンの次数はｍ＝ｎ＝３０である。また、均一領域は１．０ｍｍ×０．５ｍｍとする。
【００８８】
ＤＯＥは石英で作ると、１．４程度の屈折率をもつから、そのままだと｜（ｎ−１）／（ｎ＋１）｜２程度の反射損失が生じる。ホモジナイザＤＯＥの両面にＡＲ（反射防止膜）を付けるのはレーザビームがＤＯＥの表面、裏面で反射し損失になるのを防ぐためである。両面にＡＲ被覆したので透過率を９９％以上にすることができる。
【００８９】
アパーチャマスクの開口部は２ｃ×２ｄ＝１．３６５ｍｍ×０．７３５ｍｍとする長方形状の窓である。スーパーガウシアンレーザビームの像面（アパーチャマスク面）でのサイズが２ａ×２ｂ＝１．２ｍｍ×０．６ｍｍであるのだから、窓の方がビーム断面より広い。１．３６５ｍｍ＞１．２ｍｍ、０．７３５ｍｍ＞０．６ｍｍというように隙間が０．１ｍｍ程度あるようになっている。
【００９０】
つまりアパーチャマスクはビームの周辺部をマスクしない。マスクはビームを遮らないのである。ここが重要な所である。初めにアパーチャマスクがないといけないと述べた。しかし狭い窓をもつアパーチャマスクでビームの周辺部を遮断するのでもない。ビームの外側に遮蔽部があるようなマスクなのである。ビームを遮らないマスクに何の意味があるのか？そのようなことも問題となろう。それについては後に述べる。
【００９１】
分岐ＤＯＥは、やはり合成石英で作製した。大きさは５０ｍｍ直径であり厚みは５ｍｍである。ピクセルサイズが５μｍ×５μｍである。大きさ、ピクセルサイズともにホモジナイザＤＯＥと同じである。しかし、これは分岐用のＤＯＥなのでユニットパターンというものの繰り返しになっている。
【００９２】
ユニットパターンの１周期Λが３２セル×３２セルということである。Λ＝１６０μｍ×１６０μｍである。有効径はホモジナイザＤＯＥと同じように、８００セル×８００セル＝４ｍｍ×４ｍｍである。それは２５×２５＝６２５個のユニットパターンを含むＤＯＥである。つまりユニットパターンは１０２４個のセルを含み、ＤＯＥは６２５個のユニットパターンを含む。ユニットパターンのサイズΛが回折角（ｓｉｎθ＝ｍｊλ／Λ：ｍｊは整数で回折の次数）を決める。
【００９３】
これもＡＲコートしてありそのために透過率が９９％以上になっている。分岐数は３で、ピッチは０．３２１ｍｍピッチ（ｆ２＝８０ｍｍの場合）としている。これは実験だから３分岐としているが、実際の応用では幾つもの分岐を設けることができる。分岐ビームの断面も矩形状であり、０．２４ｍｍ×０．１２ｍｍとする。アパーチャマスクでのビーム断面の約１／５に縮小している。
【００９４】
レンズは同じ合成石英で作製した。大きさは３０ｍｍφ、３ｍｍ厚みであるが、有効径は２５ｍｍφである。焦点距離はｆ２＝８０ｍｍとした。
【００９５】
図４はホモジナイザＤＯＥ（８００セル×８００セル）の位相の変化を白黒の濃淡で示している。ホモジナイザＤＯＥは５０ｍｍφであるが枠構造は回折に無関係だからセルのある８００×８００セル（４ｍｍ×４ｍｍ）の部分だけを示す。位相の変化というのは厚みの変化ということである。実際には１６段階のデジタル値を取るのであるが、ここでは濃淡で表した。
【００９６】
一つの縞が１６段階の変化を示し、白縞から白縞までが合わせて３２段階分の変化に対応する。縞は厚みの等高線であり、一つの縞から縞がλ／（ｎ−１）の厚み変化を表す。同時にそれは透過光の位相の変化ということもでき縞から縞が３６０度の位相の変化を示すのである。
【００９７】
ＤＯＥであってレンズではないから直観的な構造を濃淡画像から読み取ることはできない。ホモジナイザＤＯＥは強度変換レンズ作用をもつ。定性的なことをいえば中央の歪んだ同心円がビームを狭める凸レンズのような機能をもつ。２ｍｍφの広い円形ビームを縦方向に０．６ｍｍ、横方向に１．２ｍｍに縮めるのであるから、縦方向の凸レンズ作用の方が強く、それが密につまった縞となって現れる。
【００９８】
横方向にも凸レンズ作用する部分があるが、それは少し弱いので縞の間隔が広くなっている。楕円状の同心円の集合となっているのは縦横の比が１：２というように等方的でないからである。
【００９９】
このＤＯＥはガウシアンビームをスーパーガウシアンに変化させるだけでなく、２ｍｍ直径を１．２ｍｍ、０．６ｍｍに縮めるから集光作用があり、それがｆ１＝７０ｍｍという凸レンズの作用をもたらす。
【０１００】
図５はアパーチャマスクの位置における、ビームの強度分布である。白黒の濃淡ある画像なのであるが、エッジで急峻な変化をするスーパーガウシアンビームなので一様矩形断面のビームに見える。図５においてビーム断面横は２ｃ＝１．２ｍｍ、縦は２ｄ＝０．６ｍｍである。横方向をｘ軸、縦方向をｙ軸とする。
【０１０１】
図６はアパーチャマスクの位置における、ビームの横方向（ｘ方向）の強度分布の測定値である。横軸はｘ方向の座標である。縦軸は強度（任意目盛り）である。横軸の広がりは大きくて−５００μｍ〜＋５００μｍの間の強度はだいたい一様である。先述のように回折効率は９５．９２％である。場所によってビーム強度に多少のばらつきがある。
【０１０２】
ｘ軸上で、−６００μｍより左、＋６００μｍより右にはノイズが少しあるのであるが、このスケールでは殆ど見えない程度である。横方向には２ｍｍ→１．２ｍｍに縮小し周辺部の強度を１．２ｍｍの近傍へ集めただけであるからＤＯＥはあまり無理をしていない。図４の同心円の構造を見ても横方向（ｘ方向）の縞はそれほど密ではない。だから側方にノイズが殆ど出てこない。
【０１０３】
図７はアパーチャマスクの位置における、ビームの縦方向（ｙ方向）の強度分布の測定値である。縦方向の広がりは２ｄ＝６００μｍの程度で横の半分だから横軸は図６の１．５倍に拡大している。縦方向は−２５０μｍ〜＋２５０μｍで均一強度分布をもっている。しかし、それだけでなく、−４００μｍ〜−６００μｍ、＋４００μｍ〜＋６００μｍのあたりにノイズが現れている。
【０１０４】
それは図４のＤＯＥの厚み分布図（位相分布）において縦方向の縮小比率が大きいので３００μｍ〜１０００μｍ（元のビーム半径は１０００μｍ）のあたりでの集光作用が強い。レンズであれば回折がないので強くビームを曲げるだけですむのであるがＤＯＥの場合は回折によってビームを曲げるので所望の方向に曲がるもの以外に不要な部分に回折される成分がある。それは仕方のないことでありレンズとＤＯＥは全く等価というわけにいかないのである。
【０１０５】
例えば凸レンズをフレネルレンズにすると、縞の間隔が周辺に行くに従って狭い同心の縞状のレンズとなる。個々の縞の面は傾斜面であり屈折光が定義でき元の凸レンズと作用はあまり変わらない。フレネル型にしたのでエッジが同心状に生じ、そこからの回折光も相加される。縞のエッジの位相差を２πとするので屈折光も回折光も同じ焦点距離の凸レンズ作用をもつ。それからさらに進んでフレネル型レンズを回折型光学部品で置き換えると面が傾斜面でなくて階段状となり複数の次数に回折光が発生する。
【０１０６】
回折型光学部品は元の凸レンズと等価の集光作用をもつように厚み分布が決められているのであるが、それは１次回折光のことであって、０次光や−１次回折光が新たに発生する。０次光は直進する光であって通常の屈折型レンズにはないものであるが回折型光学部品にはつきものである。
【０１０７】
そのようなわけで回折型光学部品の場合は不要な０次光、−１次回折光が生ずる。直進する０次光は０．６ｍｍを超えるＤＯＥ部分でも存在するから、それがノイズとして現れる。−１次光は発散光となって広い領域にノイズとなって現れる。それらのノイズは＋１次光（所望の回折光）によって打ち消すことができない。±４００μｍ〜±６００μｍのノイズはそのような原因で発生する。ｘ方向よりもｙ方向にそれが強く現れるのはｙ方向での集光（２ｍｍ→０．６ｍｍ）がより強いからである。
【０１０８】
そのようなノイズ光をカットするために本発明はアパーチャマスクを設けるのである。それは先に述べた通りである。本発明の骨子はそこにあるのだから、それで終わりなのである。しかしそれだけではまだノイズカットの可能な理由が判然としない。だから本発明が対象とする光学系の全体を最後までさらに述べる。
【０１０９】
図１、図３の光学系において所望の矩形スーパーガウシアンビームに整形された１本のビームは、さらに分岐ＤＯＥ５で所望方向、所望本数の分岐ビームに分割される。それはいくつでもよいのであるが、ここでは説明用の実験だからｘ方向に３つのビームに分割することにする。ビーム数をもっと多くできる。しかし強度バラツキの問題はいくつであっても同じことである。
【０１１０】
分岐ＤＯＥは図８に示すような位相パターンのユニットパターンの繰り返しとなった。ＤＯＥだから実は厚みのパターンなのであるが、透過光の位相が０度〜３６０度の変化をするように１６段階に分けたものであり、位相差のパターンとも言えるし厚みのパターンとも言える。白縞から白縞までの位相差が３６０度である。そのような事情はホモジナイザＤＯＥでも分岐ＤＯＥでも同じことである。
【０１１１】
図８は分岐ＤＯＥのユニットパターン一つ分であり３２セル×３２セルのパターンである。右下に見える白角が１セルである。ＤＯＥは同一のユニットパターンを２５×２５個縦横に並べたものである。中央に広い白地があって、その内部に細かい刻点が見える。それは０〜３６０度の中間の位相をもつ部分ということを示している。
【０１１２】
ユニットパターンは３２×３２セルあるので、ユニットパターンを多数含むＤＯＥによる像面での回折点はやはり３２×３２の構造をもつ。ユニットパターンのフーリエ変換が像面での強度を示す。像面への回折強度がユニットパターンのフーリエ変換としＦＦＴ（高速フーリエ変換）によって簡単に計算できる。
【０１１３】
そのような周期性を考慮に入れ図８を見て分かるが、図４のホモジナイザＤＯＥと図８の分岐ＤＯＥは著しく異なるパターンである。ホモジナイザＤＯＥはレンズを兼ねていたので同心円が多数出現したのである。しかしこの実施例の分岐ＤＯＥはレンズ作用をもたないフラウンホーファー型（フーリエ型）のものだから同心円は存在しない。分岐ビームを生成するだけで全体としての位相差は３６０度あれば充分だから何重もの縞模様は存在しない。単に３つの分岐ビームを作るのであるが分岐ＤＯＥのユニットパターンにはいくつもの解が存在する。図８はユニットパターンの一例に過ぎない。
【０１１４】
図９は３つの像面でのｘ方向に並ぶ分岐ビームを示す。図１０はｘ軸に沿う３本の分岐ビームのｘ軸上の強度分布の測定結果を示す。ｘ軸に沿って回折光の強度を実際に測定したものである。図１１は中央のビームのｘ軸に沿った回折光強度を横方向に拡大したものである。０．２ｍｍ×０．１ｍｍの均一領域での上限７．９５％、下限−５．３０％というような揺らぎの少ない強度分布をしている。
【０１１５】
図９〜図１１は本発明の３つの分岐光のｘ軸に沿った強度の変化を示すが、スーパーガウシアンのエッジがそのまま現れている。中間部で強度の揺らぎがあるが、それは上下合わせて１３％の程度である。だから優れた品質の分岐ビームだということができる。
【０１１６】
［２．比較例１（アパーチャマスクがない場合；図１２〜１４）］
しかし、それだけでは本発明のアパーチャマスクの効果はハッキリしない。アパーチャマスクのない場合の分岐ビームの強度揺らぎ、アパーチャマスクがあってもアパーチャマスクが小さくてスーパーガウシアンビームの周辺部を遮蔽するような窓を持つ場合と比較する必要がある。
【０１１７】
図１２〜１４はアパーチャマスクがない場合の像面での分岐ビームの像と、３つの分岐ビームのｘ軸上での強度の分布を計測したものを示す。図１、３の光学系においてアパーチャマスクが存在しない場合である。
【０１１８】
その他の構造は実施例と同じである。像面において１／ｅ２径で０．２４ｍｍ×０．１２ｍｍの矩形状の領域３つに分岐ビームが照射されている（図１２）。図１３にその３つの部分での分岐ビームの空間的な強度分布の計測結果を示す。強度分布にギザギザが多くて大きく揺らいでいるということがわかる。図１４は中央の分岐ビーム領域の強度分布グラフを横に拡大したものである。図１１と比べてみると大きく強度分布が脈動し変動が著しいということが分かる。０．２ｍｍ×０．１ｍｍの均一領域での揺らぎの上限は１８．３１％、下限は−１６．０３％である。
【０１１９】
［３．比較例２（アパーチャマスク開口部が小さい場合；図１５〜１７）］
本発明はアパーチャマスクの窓が広くて強度変換されたビームを全部通すようなサイズになっている。ビームの寸法を２ａ×２ｂとして、アパーチャ窓の寸法を２ｃ×２ｄとしたとき２ｃ＞２ａ、２ｄ＞２ｂである。
【０１２０】
その条件を満足しない、より狭い窓のアパーチャを使って同様の回折実験をした。図１、図３の光学系でアパーチャマスクだけが少し違う。窓の寸法は１．０ｍｍ×０．５ｍｍである。スーパーガウシアンにした矩形ビームは２ａ×２ｂ＝１．２ｍｍ×０．６ｍｍであるから、約２０％縦横に狭いということである。周辺部の０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍの部分の光がアパーチャマスクの遮蔽部によって遮られる。強度変換したビームのうち良質の内側の部分だけを使うのでそれが最適のように思われる。しかし実はそうでない、ということを明らかにするために狭い窓のアパーチャマスクの場合を実験したのである。
【０１２１】
図１５はその場合の３つの分岐ビームの照射領域を示す。１／ｅ２のエネルギーを含むサイズは０．２４ｍｍ×０．１２ｍｍでｘ軸上に３つの領域が並んでいる。それは実施例、比較例１と同様である。
【０１２２】
図１６はｘ軸上の３つの分岐ビームの強度変化の計測値を示すグラフである。まず気が付くことはエッジの部分で強いパワーの突出（オーバーシュート）があるということである。それは三つの領域の両側の６点において共通して見られる特徴である。
【０１２３】
中間部での光量は安定しており揺らぎは少ない。しかしエッジの揺らぎが大きいもので、０．２ｍｍ×０．１ｍｍの均一領域での強度の揺らぎは上限＋１５．１１％、下限−１３．０４％である。
【０１２４】
それは、つまりこういうことである。ホモジナイザＤＯＥによって１．２ｍｍ×０．６ｍｍの強度が一定のスーパーガウシアンビームを生成したがマスクを焦点位置に設けてビームの周辺部を落としているのでスーパーガウシアンの特徴であるなだらかなエッジの部分が消失しているのである。ビーム領域の長さが短くなっているのもアパーチャマスクの窓で両側が削られるからである。オーバーシュートが起こるのは、マスク窓の外側のビームが存在して初めてパワーが打ち消される部分がそれがないため打ち消されずに残り、それが強度をエッジで上昇させているのである。
【０１２５】
【発明の効果】
ガウシアン分布など一様でない強度分布をもつレーザビームをホモジナイザＤＯＥによってある範囲でほぼ一様な強度分布をもつスーパーガウシアンビームとし、その焦点距離位置にビーム径よりも広い窓をもつアパーチャマスクを設け、それを通ったビームをさらに分岐ＤＯＥによって適当な数の分岐ビームにするようにしたのが本発明のホモジナイザ光学系である。スーパーガウシアン分布になるよう強度をある範囲で一定にするホモジナイザをＤＯＥで構成するというのはこれまで類例がない。
【０１２６】
レンズと違って回折光があるので余分な回折光によって分岐後のビームの強度が乱れることがある。本発明はホモジナイザＤＯＥの焦点位置にビームより広い窓をもつアパーチャマスクをおいてビームの外延にある光を遮断するようにしている。それがスーパーガウシアンの特性を生かしつつ余分の回折光を排除するという作用をもち分岐ＤＯＥによって分岐したビームはある範囲で一様な強度をもち揺らぎは少ないしエッジでのオーバーシュートもない。アパーチャマスクを焦点距離位置に置くというだけであるが、その効果は優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホモジナイザ、アパーチャマスク、分岐ＤＯＥ、レンズ、像面を含む本発明のホモジナイザ・分岐ビーム光学系の概略構成図。
【図２】ホモジナイザＤＯＥ、分岐ＤＯＥのセルの１６段階の厚みの変化を示す図。一つのステップは７２．２ｎｍ、全ステップの高さは１１５４．７ｎｍである。
【図３】ホモジナイザ、アパーチャマスク、分岐ＤＯＥ、レンズ、像面を含む本発明の実施例におけるホモジナイザ・分岐ビーム光学系の概略構成図。
【図４】８００×８００セルよりなるホモジナイザＤＯＥの１６段階の厚み（位相）変化の分布を示す図。
【図５】ホモジナイザＤＯＥによって１．２ｍｍ×０．６ｍｍのスーパーガウシアンビームに整形したビームのアパーチャマスク位置でのビーム強度分布図。
【図６】ホモジナイザＤＯＥによって１．２ｍｍ×０．６ｍｍのスーパーガウシアンビームに整形したビームのアパーチャマスク位置でのｘ軸方向の強度分布グラフ。
【図７】ホモジナイザＤＯＥによって１．２ｍｍ×０．６ｍｍのスーパーガウシアンビームに整形したビームのアパーチャマスク位置でのｙ軸方向強度分布グラフ。
【図８】３つの分岐ビーム領域を生成するための実施例にかかる分岐ＤＯＥの３２×３２セルからなるユニットパターンの１６段階の位相（厚み）分布の図。
【図９】スーパーガウシアンビームをビームより広い窓をもつ実施例にかかるアパーチャマスクに通し分岐ＤＯＥによって生成された０．２４ｍｍ×０．１２ｍｍの大きさの３つの分岐ビームの像面での像。
【図１０】スーパーガウシアンビームをビームより広い窓をもつ実施例にかかるアパーチャマスクに通し分岐ＤＯＥによって生成された０．２４ｍｍ×０．１２ｍｍの大きさの３つの分岐ビームのｘ軸上での強度分布の測定結果を示すグラフ。
【図１１】スーパーガウシアンビームをビームより広い窓をもつ実施例にかかるアパーチャマスクに通し分岐ＤＯＥによって生成された０．２４ｍｍ×０．１２ｍｍの大きさの３つの分岐ビームのうち中央のビームのｘ軸上での強度分布の測定結果を拡大して示すグラフ。
【図１２】スーパーガウシアンビームを、アパーチャマスクに通さず分岐ＤＯＥによって生成した０．２４ｍｍ×０．１２ｍｍの大きさの３つの分岐ビームの像面での像。
【図１３】スーパーガウシアンビームをアパーチャマスクに通さず分岐ＤＯＥによって生成した０．２４ｍｍ×０．１２ｍｍの大きさの３つの分岐ビームのｘ軸上での強度分布の測定結果を示すグラフ。強度分布の揺らぎが大きい。
【図１４】スーパーガウシアンビームをアパーチャマスクに通さず分岐ＤＯＥによって生成した０．２４ｍｍ×０．１２ｍｍの大きさの３つの分岐ビームのうち中央のビームのｘ軸上での強度分布の測定結果を拡大して示すグラフ。
【図１５】スーパーガウシアンビームをビーム径より狭い窓をもつアパーチャマスクに通し分岐ＤＯＥによって生成した０．２ｍｍ×０．１ｍｍの大きさの３つの分岐ビームの像面での像。
【図１６】スーパーガウシアンビームをビーム径より狭い窓をもつアパーチャマスクに通し分岐ＤＯＥによって生成した０．２ｍｍ×０．１ｍｍの大きさの３つの分岐ビームのｘ軸上での強度分布の測定結果を示すグラフ。
【図１７】スーパーガウシアンビームをビームより狭い窓をもつアパーチャマスクに通し分岐ＤＯＥによって生成した０．２ｍｍ×０．１ｍｍの大きさの３つの分岐ビームのうち中央のビームのｘ軸上での強度分布の測定結果を拡大して示すグラフ。
【図１８】ホモジナイザ回折光の効率の定義を示すためのホモジナイザ後のビームの強度分布を示すグラフ。
【図１９】ホモジナイザＤＯＥによってアパーチャマスクの位置において形成されるビームの強度分布を示すグラフ。
【図２０】図１９のビーム強度分布の点線で囲まれたエッジの部分を拡大したビーム強度分布図。
【符号の説明】
３  ホモジナイザＤＯＥ
４  アパーチャマスク
５  分岐ＤＯＥ
６  レンズ
７  像面
【図１】
2004230432.tif 000005
【図２】
2004230432.tif 000006
【図３】
2004230432.tif 000007
【図４】
2004230432.tif 000008
【図５】
2004230432.tif 000009
【図６】
2004230432.tif 000010
【図７】
2004230432.tif 000011
【図８】
2004230432.tif 000012
【図９】
2004230432.tif 000013
【図１０】
2004230432.tif 000014
【図１１】
2004230432.tif 000015
【図１２】
2004230432.tif 000016
【図１３】
2004230432.tif 000017
【図１４】
2004230432.tif 000018
【図１５】
2004230432.tif 000019
【図１６】
2004230432.tif 000020
【図１７】
2004230432.tif 000021
【図１８】
2004230432.tif 000022
【図１９】
2004230432.tif 000023
【図２０】
2004230432.tif 000024