(57)【要約】【課題】  入射レーザの波長に係わらず、入射レーザの集光プロファイルを平坦化できる集光装置を低コストにて提供する。【解決手段】  複数のディンプル２…が凹面状に連続するように形成された放物面ミラー３を備え、ディンプル２の集光距離が、放物面ミラー３の集光距離よりも短くなるように構成する。上記構成により、複数のディンプル２…により分割された後のレーザを、それぞれの集光プロファイルがややずれた状態にて、放物面ミラー３により重ね合わせることができる。これにより、入射レーザの波長に関わらず、集光プロファイルを平坦化することができる。【選択図】  図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１凹面鏡が凹面状に連続するように形成された第２凹面鏡を備え、
上記第１凹面鏡の集光距離が、上記第２凹面鏡の集光距離よりも短いことを特徴とする集光装置。
【請求項２】
上記第２凹面鏡の中央部に形成される入射レーザを通過させるためのレーザ通過孔と、
上記レーザ通過孔を通過した入射レーザを放射状に反射して上記第２凹面鏡に導く凸面鏡とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
複数の第１凹面鏡を用いて入射レーザを反射することによって、入射レーザを複数の分割後レーザとして分割すると同時に該複数の分割後レーザのそれぞれを集光する一方、
上記複数の第１凹面鏡を凹面状に連続させて形成される第２凹面鏡を用いて、上記複数の分割後レーザのそれぞれが集光される位置よりも上記第１凹面鏡からの距離が大きな位置において、上記複数の分割後レーザを相互に重ね合わせることを特徴とする集光方法。
【請求項４】
入射レーザを複数の分割後レーザとして分割するレーザ分割手段と、
上記複数の分割後レーザのうち少なくとも１つと、他の分割後レーザとの間に位相差を発生させる位相差発生手段と、
上記複数の分割後レーザを重ね合わせる集光手段とを備えていることを特徴とする集光装置。
【請求項５】
上記位相差発生手段は、
入射レーザの波面が出射レーザの波面に対して傾斜するように形成されたアキシコン型光学素子と、
平板状のフラット型光学素子とからなることを特徴とする請求項４に記載の集光装置。
【請求項６】
集光装置のレーザ分割手段を用いて、入射レーザを複数の分割後レーザとして分割する第１ステップと、
上記集光装置の位相差発生手段を用いて、上記複数の分割後レーザのうち少なくとも１つと、他の分割後レーザとの間に位相差を発生させる第２ステップと、
上記集光装置の集光手段を用いて、上記複数の分割後レーザを重ね合わせる第３ステップとを備えていることを特徴とする集光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトル幅が１〜３％程度の光であるブロードバンド光の集光プロファイルを平坦化するための集光装置および集光方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工分野において、レーザの集光プロファイルを平坦化することによってレーザを被加工ワークに均一に照射することは、加工精度の向上や製品の高品質化にとって不可欠である。なお、集光プロファイルとは、空間的な位置に対するレーザ強度の分布のことである。
【０００３】
従来より、レーザ光の集光プロファイルを平坦化するための技術について種々の提案がなされている。これらの技術は、光の干渉を用いる技術と、光の干渉を用いない技術との２種類に分類できる。
【０００４】
前者の技術の一例としては、図１２に示すように、表面にミクロン単位の微細な凹凸が形成された回折型光学部品１００に入射光を透過させることにより、入射光の位相を直接制御する技術を挙げることができる（非特許文献１参照）。また、他の例としては、図１３に示すように、１００個程度のレンズからなるマルチアレイレンズ１１０を用いて光を干渉させる技術を挙げることができる（非特許文献２参照）。
【０００５】
一方、後者の技術の一例としては、図１４に示すようなエシェロン板１２０（非特許文献３参照）や、図１５に示すようなランダム位相板１３０（非特許文献４参照）を用いて光の可干渉性を低減させることで、複数レーザの重ね合わせの際に生じるスペックルを排除した上で、上記の複数レーザの重ね合わせにより集光プロファイルを平坦化するものである。
【０００６】
さらに、図１６に示すように、ピエゾ素子１４０内に複数のアドレッシングリード１５０…を設けるとともに、該ピエゾ素子１４０の表面に反射面１６０を設け、裏面に共通電極１７０を設ける構成の可変型ミラーも、レーザ光の集光プロファイルを平坦化するために用いる技術として提案されている（非特許文献５参照）。この可変型ミラーでは、各アドレッシングリード１５０と共通電極１７０との間に付与する電圧をそれぞれ異ならせ、各アドレッシングリード近傍のピエゾ素子１４０の変形量に差を設けることによって、反射面１６０の形状を変化させて、入射レーザの集光プロファイルを制御している。
【非特許文献１】「ＳＥＩテクニカルレビュー」第１５９号，７２〜７７頁，２００１年９月発行
【非特許文献２】「APPLIED OPTICS」Vol.25, No.3，３７７〜３８１頁，１９８６年２月１日発行
【非特許文献３】「OPTICS COMMUNICATIONS」Vol.46, No.1，２７〜３０頁，１９８３年６月１日発行
【非特許文献４】「レーザ研究」第22巻第8号，２７〜４６頁，１９９４年８月発行
【非特許文献５】「Applied Physics Letters」Vol.25, No.5, ３１１〜３１３頁、１９７４年９月１日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術は、スペクトル幅が１〜３％程度のレーザ光（以下、ブロードバンド光と称する）の集光プロファイルを平坦化するためには適していないという問題がある。なぜなら、従来の集光プロファイル技術では、図１２ないし図１５に示すように、回折型光学部品１００、マルチアレイレンズ１１０、エシェロン板１２０、ランダム位相板１３０等の光学素子の厚みの差によって、入射光に位相差を発生させている。したがって、従来技術では、光学素子の厚みに応じて使用可能な入射光の波長が制限を受けることになるので、種々の波長の光が含まれたブロードバンド光の集光プロファイルは平坦化できない。
【０００８】
たとえば、ブロードバンド光の一例として、多原子分子のガスをレーザ媒質とする炭酸ガスレーザが存在する。この炭酸ガスレーザは、基板加工やレーザ溶接における熱源として幅広く用いられているレーザである。従来技術においては、炭酸ガスレーザが有する多くの発振波長から特定の波長成分のみを抽出して、該レーザの集光プロファイルを平坦化する必要があるので、レーザ出力の有効利用ができないという問題がある。
【０００９】
また、図１６に示したような可変型ミラーを用いる技術では、アドレッシングリードを複数設ける必要があるため、集光装置に構成が高コストとなってしまう。また、入射レーザの集光プロファイルを平坦化し得るように反射面の形状を設定するために、各アドレッシングリードに付与する電圧を異ならせるための制御が複雑であるという問題がある。
【００１０】
本願に係る第１発明および第２発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、入射レーザの波長に係わらず、入射レーザの集光プロファイルを低コストに製作できる構成で平坦化することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願第１発明に係る集光装置は、複数の第１凹面鏡が凹面状に連続するように形成された第２凹面鏡を備え、上記第１凹面鏡の集光距離が、上記第２凹面鏡の集光距離よりも短いことを特徴としている。
【００１２】
さらに、本願第１発明に係る集光装置は、上記第２凹面鏡の中央部に形成される入射レーザを通過させるためのレーザ通過孔と、上記レーザ通過孔を通過した入射レーザを放射状に反射して上記第２凹面鏡に導く凸面鏡とを備えていることを特徴としている。
【００１３】
また、本願第１発明に係る集光方法は、複数の第１凹面鏡を用いて入射レーザを反射することによって、入射レーザを複数の分割後レーザとして分割すると同時に該複数の分割後レーザのそれぞれを集光する一方、上記複数の第１凹面鏡を凹面状に連続させて形成される第２凹面鏡を用いて、上記複数の分割後レーザのそれぞれが集光される位置よりも上記第１凹面鏡からの距離が大きな位置において、上記複数の分割後レーザを相互に重ね合わせることを特徴としている。
【００１４】
また、本願第２発明に係る集光装置は、入射レーザを複数の分割後レーザとして分割するレーザ分割手段と、上記複数の分割後レーザのうち少なくとも１つと、他の分割後レーザとの間に位相差を発生させる位相差発生手段と、上記複数の分割後レーザを重ね合わせる集光手段とを備えていることを特徴としている。
【００１５】
さらに、本願第２発明に係る集光装置は、上記位相差発生手段が、入射レーザの波面が出射レーザの波面に対して傾斜するように形成されたアキシコン型光学素子と、平板状のフラット型光学素子とからなることを特徴としている。
【００１６】
さらに、本願第２発明に係る集光方法は、集光装置のレーザ分割手段を用いて、入射レーザを複数の分割後レーザとして分割する第１ステップと、上記集光装置の位相差発生手段を用いて、上記複数の分割後レーザのうち少なくとも１つと、他の分割後レーザとの間に位相差を発生させる第２ステップと、上記集光装置の集光手段を用いて、上記複数の分割後レーザを重ね合わせる第３ステップとを備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本願第１発明に係る集光装置は、以上のように、複数の第１凹面鏡が凹面状に連続するように形成された第２凹面鏡を備え、上記第１凹面鏡の集光距離が、上記第２凹面鏡の集光距離よりも短い構成である。
【００１８】
上記構成によれば、第２凹面鏡には複数の第１凹面鏡が形成されているので、第２凹面鏡への入射レーザは複数の分割後レーザとして分割される。さらに、複数の分割後レーザのそれぞれは、第１凹面鏡によって集光される一方、第２凹面鏡によって相互に重ね合わせられる。なお、「凹面鏡」とは、放物面鏡および球面鏡の双方を含む意味において用いている。
【００１９】
ここで、第１凹面鏡の集光距離は、第２凹面鏡の集光距離よりも短いので、分割後レーザのそれぞれは、一旦集光された後に相互に重ね合わせられることとなる。したがって、各分割後レーザの集光プロファイルがややずれた状態にて分割後レーザを重ね合わせることができるので、各分割後レーザの集光プロファイルを合成して得られる集光プロファイルの平坦化が可能となる。
【００２０】
さらに、上記構成の集光装置では、第１凹面鏡および第２凹面鏡の反射作用によって入射レーザの集光プロファイルを平坦化し、入射レーザを光学素子内に透過させることがないので、各分割後レーザの集光プロファイルを合成化する過程において入射レーザのパルス幅を変化させることがない。したがって、入射レーザの波長に影響されることなく、入射レーザの集光プロファイルを平坦化することができるので、上記構成の集光装置は次世代のレーザ源として期待されている超短パルス光にも適用することができるという効果を奏する。
【００２１】
さらに、上記の集光装置は、複数の第１凹面鏡を凹面状に形成して第２凹面鏡とするという簡易な構成からなる。さらに、入射レーザの集光プロファイルを平坦化するために、第１凹面鏡または第２凹面鏡をコンピュータ制御により可動させることもない。したがって、入射レーザの集光プロファイルを平坦化できる集光装置を低コストにて提供できるという効果を奏する。
【００２２】
さらに、本願第１発明に係る集光装置は、以上のように、上記第２凹面鏡の中央部に形成される入射レーザを通過させるためのレーザ通過孔と、上記レーザ通過孔を通過した入射レーザを放射状に反射して上記第２凹面鏡に導く凸面鏡とを備えているものである。
【００２３】
上記構成によれば、第２凹面鏡に形成されるレーザ通過孔を通過した入射レーザを、凸面鏡により反射させて第２凹面鏡に導くので、入射レーザの経路を、凸面鏡と第２凹面鏡によって規定することができる。したがって、集光装置全体をコンパクトに形成することができるという効果を奏する。
【００２４】
さらに、第２凹面鏡の集光位置よりも第２凹面鏡に近い方へ凸面鏡を配置すれば、入射レーザの光軸上に第２凹面鏡の集光位置を設けることも可能となる。したがって、入射レーザの入射方向からずれた方向に入射レーザを集光しなくてもよいので、集光装置が組み込まれる光学機器の設計も容易となるという効果を奏する。
【００２５】
また、本願第１発明に係る集光方法は、以上のように、複数の第１凹面鏡を用いて入射レーザを反射することによって、入射レーザを複数の分割後レーザとして分割すると同時に該複数の分割後レーザのそれぞれを集光する一方、上記複数の第１凹面鏡を凹面状に連続させて形成される第２凹面鏡を用いて、上記複数の分割後レーザのそれぞれが集光される位置よりも上記第１凹面鏡からの距離が大きな位置において、上記複数の分割後レーザを相互に重ね合わせる方法である。
【００２６】
上記構成の集光方法によれば、本願第１発明に係る集光装置と同様の作用効果を得ることができる。
【００２７】
また、本願第２発明に係る集光装置は、入射レーザを複数の分割後レーザとして分割するレーザ分割手段と、上記複数の分割後レーザのうち少なくとも１つと、他の分割後レーザとの間に位相差を発生させる位相差発生手段と、上記複数の分割後レーザを重ね合わせる集光手段とを備えているものである。
【００２８】
上記構成によれば、レーザ分割手段により分割された複数の分割後レーザは、位相差発生手段により位相差が設けられた状態で集光手段により重ね合わせられるので、分割後レーザを重ね合わせたレーザには高次モード成分が発生する。したがって、入射レーザの低次モード成分が不均一な状態であっても、低次モード成分が高次モード成分として変換されることにより、低次モード成分の不均一性が解消される。
【００２９】
さらに、レーザ分割手段により分割された複数の分割後レーザを、集光手段により重ね合わせ干渉させるので、入射レーザの波長が多少変化しても高次モード成分を重ねあわせ後のレーザに発生させることができる。
【００３０】
したがって、上記構成によれば、入射レーザのブロードバンド光に含まれている複数の波長成分のそれぞれについて、高次モードのスペックルパターンを得ることができる。さらに、各波長成分のスペックルパターンは波長に応じてややずれた位置に発生する。複数の分割後レーザを重ね合わせて得られるレーザの集光プロファイルは、上述のような各波長成分についての高次モードのスペックルパターンを合成したものとなる。したがって、上記構成によれば、分割後レーザを重ね合わせて得られるレーザの集光プロファイルを平坦化できるという効果を奏する。
【００３１】
さらに、上記構成においては、入射レーザの集光プロファイルを平坦化するために、集光装置の各構成要素をコンピュータ制御により可動させることもない。したがって、入射レーザの集光プロファイルを平坦化できる集光装置を低コストにて提供できるという効果を奏する。
【００３２】
さらに、上記構成において、上記位相差発生手段が、入射レーザの波面が出射レーザの波面に対して傾斜するように形成されたアキシコン型光学素子と、平板状のフラット型光学素子とからなる構成であってもよい。
【００３３】
上記構成によれば、分割後レーザがアキシコン型光学素子に入射する位置によって、レーザ分割手段から、集光手段により分割後レーザが集光される位置までの光路長が変化する。また、平板状のフラット型光学素子の厚みをアキシコン型光学素子が有する厚みの範囲内として設定すれば、アキシコン型光学素子またはフラット型光学素子を通過するそれぞれの分割後レーザについて、レーザ分割手段から、集光手段により分割後レーザが集光される位置までの光路長を等しく設定できる。
【００３４】
したがって、複数の分割後レーザのうち少なくとも１つについてアキシコン型光学素子を透過させる一方、その他の分割後レーザについてフラット型光学素子を透過させれば、これらのレーザについて、特定位置においては位相が一致し、それ以外の位置においては位相差が発生するように構成できる。このようなアキシコン型光学素子としては、広く用いられているくさび形の光学素子や円錐型の光学素子を採用することができる。また、平板状のフラット型光学素子も広く用いられている光学素子である。
【００３５】
よって、上記構成によれば、位相差発生手段をより簡易に構成できるので、入射レーザの集光プロファイルを平坦化できる集光装置をより低コストにて提供できるという効果を奏する。
【００３６】
また、本願第２発明に係る集光方法は、集光装置のレーザ分割手段を用いて、入射レーザを複数の分割後レーザとして分割する第１ステップと、上記集光装置の位相差発生手段を用いて、上記複数の分割後レーザのうち少なくとも１つと、他の分割後レーザとの間に位相差を発生させる第２ステップと、上記集光装置の集光手段を用いて、上記複数の分割後レーザを重ね合わせる第３ステップとを備えている方法である。
【００３７】
上記構成の集光方法によれば、本願第２発明に係る集光装置と同様の作用効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
〔第１発明の実施形態について〕
（１．集光装置の構成）
本願に係る第１発明の一実施形態について、図１ないし図５を用いて説明する。
【００３９】
第１発明の一実施形態としての集光装置１は、図１に示すように、入射レーザが照射される位置に複数のディンプル（第１凹面鏡）２…が形成されている。これら複数のディンプル２…は、それぞれ放物面状の反射面を有している。この複数のディンプル２…により、入射レーザは複数のレーザに分割される。
【００４０】
さらに、各ディンプル２は、隣接するディンプルと放物面状に連続するように形成されている。これにより、複数のディンプル２…からなる略放物面は、図１中破線にて示す放物面ミラー（第２凹面鏡）３を形成している。なお、放物面ミラー３は、１０〜１３個程度のディンプル２…により形成されていることが好ましい。
【００４１】
また、これらの各ディンプル２…および放物面ミラー３は、それぞれ放物面状の反射面を有しているので、入射レーザを所定の位置に集光する。なお、入射レーザの入射光路内で入射レーザが集光されることを防止するため、各ディンプル２…および放物面ミラー３の反射面は、入射レーザを所定の軸外し角θにて反射するよう、レーザの入射方向に対して斜め方向に形成されている。
【００４２】
さらに、各ディンプル２…の反射面の曲率は、放物面ミラー３の曲率よりも大きくなるように設定されている。すなわち、各ディンプル２の集光距離をｆ、放物面ミラー３の集光距離をＦとしたとき、ｆ＜Ｆの関係が満たされている。
【００４３】
（２．集光装置の光学的機能）
上記構成の集光装置１を用いることにより、ブロードバンド光の集光プロファイルを平坦化することが可能となる。以下、この理由について具体的に説明する。なお、以下の説明では、説明の便宜上、複数のディンプル２…を複数の小レンズからなるマルチアレイレンズ、放物面ミラー３を集光レンズとみなすことにする。
【００４４】
すなわち、図２に示すように、複数のディンプル２…（図１）を、該ディンプルと同様に入射レーザを所定位置に集光する機能を有するマルチアレイレンズ４に置き換える。また、放物面ミラー３（図１）を、該ミラーと同様に入射レーザを所定位置に集光する機能を有するとともに、マルチアレイレンズ４と同等の大きさを有する集光レンズ５に置き換える。なお、マルチアレイレンズ４は、直径寸法がｄで集光距離はｆである小レンズが、Ｎ×Ｎ個集合して形成されるものである。また、集光レンズ５は、直径寸法がＤ（＝ｄ×Ｎ）であり、集光距離がＦである。
【００４５】
先ず、入射レーザは、図２に示すように、マルチアレイレンズ４を通過することによって、Ｎ個の入射レーザとして分割される。このようにマルチアレイレンズ４によって分割されたそれぞれのレーザは、マルチアレイレンズ４と集光レンズ５との集光機能が関連しあうことによって、集光レンズ５から合成集光距離Ｆｃだけ離れた位置において集光される。なお、Ｆｃは、上記の集光距離Ｆ，ｆとの間において、Ｆｃ＝（１／Ｆ＋１／ｆ）-1の関係を満たす値である。
【００４６】
マルチアレイレンズ４により分割された入射レーザは、集光レンズ５から合成集光距離Ｆｃだけ離れた位置において集光した後、集光レンズ５から距離Ｆだけ離れた位置である基準ターゲット位置において重ね合わせられる。なお、基準ターゲット位置における入射レーザの直径をδとすると、δ＝（Ｆ／ｆ）ｄの関係が満たされている。
【００４７】
このように、マルチアレイレンズ４と集光レンズ５との組み合わせにより、入射レーザは複数の入射レーザに分割され、分割された後のそれぞれの入射レーザは基準ターゲット位置において重ね合わせられる。基準ターゲット位置およびその近傍において入射レーザが重ね合わせられる状態を以下に説明する。なお、以下の説明において、入射レーザの強度分布は、ガウス分布であるものとする。
【００４８】
先ず、図２に示すように、マルチアレイレンズ４により分割された入射レーザのうち、集光レンズ５の上端を通過するものを入射レーザＡ、集光レンズ５の中央を通過するものを入射レーザＢ、集光レンズ５の下端を通過するものを入射レーザＣとする。また、基準ターゲット位置から距離ｆ１だけ離れた位置を第１ターゲット位置、距離ｆ２だけ離れた位置を第２ターゲット位置とする。なお、ｆ１＜ｆ２とする。
【００４９】
基準ターゲット位置において、入射レーザＡ・Ｂ・Ｃは、図３（ａ）に示すように、各レーザの集光プロファイルが略一致する状態で重ね合わせられる。これは、上述したように、マルチアレイレンズ４に含まれる小レンズの中心を通過するレーザは基準ターゲット位置において１点に集光するので、基準ターゲット位置における入射レーザＡ・Ｂ・Ｃの直径が等しくなるからである。
【００５０】
また、マルチアレイレンズ４により分割される入射レーザのうち、入射レーザＡ・Ｂ・Ｃ以外の入射レーザの中心も、基準ターゲット位置において１点に集光する。よって、マルチアレイレンズ４により分割された全ての入射レーザの集光プロファイルを基準ターゲット位置において重ね合わせた状態は、図４（ａ）に示すように、各入射レーザの集光プロファイルと略一致する状態となる。
【００５１】
なお、図３（ａ）や図４（ａ）において、集光プロファイルは、縦軸をレーザ強度、横軸を集光レンズ中心からの距離に設定して図示されている。他の図においても縦軸、横軸は図３（ａ）と同様に設定して集光プロファイルを設定している。
【００５２】
また、第１ターゲット位置において入射レーザＡ・Ｂ・Ｃは、図３（ｂ）に示すように、各レーザの集光プロファイルの頂点がややずれた状態にて重ね合わせられ、重ね合わせられた集光プロファイルには高次モード成分が発生する。これは、第１ターゲット位置が基準ターゲット位置から距離ｆ１だけ離れているので、入射レーザＡ・Ｂ・Ｃの中心が第１ターゲット位置において１点に集光せず、ややずれることに起因している。
【００５３】
さらに、マルチアレイレンズ４により分割される入射レーザのうち、入射レーザＡ・Ｂ・Ｃ以外の入射レーザの中心も、第１ターゲット位置においては１点に集光せず、ややずれた状態となる。したがって、マルチアレイレンズ４により分割された全ての入射レーザの集光プロファイルを第１ターゲット位置において重ね合わせると、図４（ｂ）に示すように、中央部分が平坦化された集光プロファイルが発生する。
【００５４】
また、第２ターゲット位置において入射レーザＡ・Ｂ・Ｃは、図３（ｃ）に示すように、各レーザの集光プロファイルの頂点が大きくずれた状態にて重ね合わせられ、重ねあわされた集光プロファイルには低次モード成分が発生する。ここで、第２ターゲット位置は、基準ターゲット位置からの距離が第１ターゲット位置よりも大きいので、入射レーザＡ・Ｂ・Ｃの集光プロファイルのずれは、第２ターゲット位置のほうが第１ターゲット位置よりも大きくなる。
【００５５】
さらに、マルチアレイレンズ４により分割される入射レーザのうち、入射レーザＡ・Ｂ・Ｃ以外の入射レーザの中心も、第２ターゲット位置において大きくずれることになる。したがって、マルチアレイレンズ４により分割された全ての入射レーザの集光プロファイルを第２ターゲット位置において重ね合わせると、図４（ｃ）に示すように、低次モード成分が不均一な状態で発生する。
【００５６】
このように、マルチアレイレンズ４により分割された入射レーザを集光レンズ５により重ね合わせて得られる入射レーザの集光プロファイルは、基準ターゲット位置からの距離によって平坦化される場合がある。すなわち、マルチアレイレンズ４により分割された入射レーザを集光する位置を、基準ターゲット位置から適切な距離だけずれた位置として設定すれば、集光プロファイルを平坦化することができるといえる。
【００５７】
上記の説明は、本実施形態の集光装置１（図１）における複数のディンプル２…（図１）をマルチアレイレンズ４（図２）とみなし、放物面ミラー３（図１）を集光レンズ５（図２）とみなして行なった。よって、上述のように、「マルチアレイレンズ４により分割された入射レーザを集光する位置を、基準ターゲット位置から適切な距離だけずれた位置として設定すれば、集光プロファイルを平坦化することができる」ということは、「複数のディンプル２…により分割された入射レーザを集光する位置を、放物面ミラー３から距離Ｆだけ離れた位置から適切な距離だけずれた位置として設定すれば、集光プロファイルを平坦化できる」ということを意味している。
【００５８】
さらに、上記構成の集光装置１は、複数のディンプル２…および放物面ミラー３が入射レーザを反射することによって、入射レーザの集光プロファイルを平坦化するものであり、入射レーザを光学素子の厚みの異なる部分に透過させ、入射レーザの位相差を発生させるものではない。したがって、本実施形態の集光装置１により集光プロファイルを平坦化できる入射レーザの波長は、ディンプル２…や放物面ミラー３の反射率のみで制限される。よって、本実施形態の集光装置１によれば、紫外線領域から遠赤外線領域までの広範な波長領域を有する入射レーザの集光プロファイルを平坦化することが可能となる。すなわち、本実施形態の集光装置１によれば、種々の波長の光が含まれたブロードバンド光の集光プロファイルを平坦化することができる。
【００５９】
（３．超短パルス光への適用）
本実施形態の集光装置１は、超短パルス光の集光プロファイルを平坦化できるという有利な点を有しているので、以下に説明する。なお、超短パルス光とは、パルス幅が１００ｆｓ（ｆｓ＝１０-15秒）程度以下のブロードバンド光のことである。
【００６０】
この超短パルス光は、熱拡散が良い点において、高精度なレーザ加工技術に適用可能なレーザとして期待されているものである。しかしながら、従来技術においては超短パルス光をレーザ加工に用いることができなかった。
【００６１】
なぜなら、従来技術においては、入射レーザを光学素子に通過させることによって、入射レーザの集光プロファイルを平坦化するためである。すなわち、入射レーザとしての超短パルス光が光学素子を通過する際にパルス幅が伸びてしまい、上述した超短パルス光の特徴点である熱拡散が悪くなってしまうからである。
【００６２】
このような従来技術とは対照的に、本実施形態の集光装置１においては、上述したように、光学素子を通過させること無く、ディンプル２…および放物面ミラー３の反射作用のみによって、入射レーザの集光プロファイルを平坦化する。
【００６３】
したがって、入射レーザの集光プロファイルが平坦化される際、入射レーザのパルス幅が変化することがない。それゆえ、本実施形態の集光装置１によれば、超短パルス光の集光プロファイルを平坦化し、該レーザの特質を活かした状態で高精度なレーザ加工に用いることが可能となる。
【００６４】
（４．実施例）
次に、上記構成の集光装置１について、入射レーザを集光する位置と、集光プロファイルの状態との関係をシミュレーションしたので、以下に紹介する。なお、シミュレーションにおいては、入射レーザについて、波長を６．１μｍ、直径を６ｃｍ、スペクトル幅を１％に設定した。さらに、入射レーザの強度は、ガウス分布型の分布を有しているものとして設定した。また、ディンプル２について、集光距離を１２．５ｃｍ、直径を０．５ｃｍに設定する一方、放物面ミラー３については、集光距離を１３ｃｍに設定した。
【００６５】
図５（ａ）〜図５（ｈ）に、シミュレーションにより得られた集光プロファイルの状態を示す。なお、これらの画像においては、レーザ強度を色の濃淡で表現しており、濃度の低い部分がレーザ強度が高い部分、濃度の高い部分がレーザ強度の低い部分を示している。
【００６６】
図５（ａ）は、入射レーザのビーム強度を示す画像である。同画像に示すように、入射レーザは、中心部分の強度が高く、外周部分に近づくに従ってレーザ強度が低下する、いわゆるガウス分布型のレーザ強度を有しているものとして設定した。
【００６７】
図５（ｂ）〜図５（ｇ）は、入射レーザを集光する位置を種々変化させた場合の入射レーザの集光プロファイルを示す画像である。なお、これらの画像において記載されているｆ’の値は、入射レーザを集光した位置の基準ターゲット位置からの距離である。
【００６８】
図５（ｂ）、図５（ｅ）、および図５（ｇ）に示すように、ｆ’の値が０．００２，０．０１５，０．０３０ｃｍである場合には、集光プロファイルが分割した。これは入射レーザの低次モード成分が不均一な状態で発生したことを示している。
【００６９】
また、図５（ｄ）および図５（ｆ）に示すように、ｆ’の値が０．０１０，０．０２１ｃｍである場合には、集光プロファイルが平坦化した。これにより、「複数のディンプル２…により分割された入射レーザを集光する位置を、基準ターゲット位置から適切な距離だけずれた位置として設定すれば、集光プロファイルを平坦化できる」ことが実証された。
【００７０】
図５（ｆ）に示す集光プロファイルの状態と比較するため、複数のディンプル２…が形成されていない放物面ミラーを用いるとともに、ｆ’の値を０．０２１ｃｍとして設定した際の集光プロファイルの状態を図５（ｈ）に示す。複数のディンプル２…が放物面ミラー３に形成されていないと、図５（ｈ）に示すように集光プロファイルは全く平坦化されず、図５（ａ）に示したガウス分布型のままであることがわかる。
【００７１】
（５．集光装置の他の構成）
上述の説明において、集光装置１は、放物面ミラー３に直接入射レーザが照射する構成のものを説明したが、本願に係る第１発明の実施形態はこれに限定されるものではない。たとえば、カセグレンレンズ系に類似する構成を用いて、本願に係る第１発明を実現することもできる。
【００７２】
すなわち、図６に示すように、第１発明の他の実施形態としての集光装置１’を、入射レーザを放射状に反射する双曲面鏡（凸面鏡）６と、球面状の反射面をそれぞれ有する複数のディンプル（第１凹面鏡）２’…が形成された反射ミラー７とにより構成してもよい。
【００７３】
なお、各ディンプル２’は、隣接するディンプルと球面状に連続するように形成されている。これにより、複数のディンプル２’…からなる略球面は、同図中破線にて示す球面ミラー（第２凹面鏡）３’を形成している。また、反射ミラー７には、双曲面鏡６に向かう入射レーザを通過させるための貫通孔（レーザ通過孔）８を形成する。
【００７４】
上記構成の集光装置１’によれば、貫通孔８を通過した入射レーザは、双曲面鏡６において反射されることによって、球面ミラー３’に照射される。その後、集光装置１’における各ディンプル２’および球面ミラー３’は、上述した集光装置１における各ディンプル２および放物面ミラー３と同様の光学的作用により、双曲面鏡６により反射された入射レーザを反射する。したがって、集光装置１’によっても入射レーザの集光プロファイルを平坦化することができる。
【００７５】
上記構成の集光装置１’によれば、以下の利点を得ることができる。すなわち、集光装置１’を用いれば、レーザを入射する光軸上にレーザの集光位置を設定することができる。つまり、集光装置１’を用いれば、集光装置１のように入射レーザの入射方向からずれた方向において入射レーザを集光する必要がない。したがって、集光装置１’を他の光学機器に搭載する際、当該光学的機器の設計が容易となる。
【００７６】
また、集光装置１’においては、各ディンプル２’が球面上に形成されており、さらに複数のディンプル２’…が球面上に連続するように形成されているので、入射レーザの集光距離を短く設定できる。したがって、集光装置１’が組み込まれる光学機器をコンパクトに構成することもできる。
【００７７】
また、一般的に、反射面を放物面状に加工するよりも、球面状に加工する方が容易である。したがって、ディンプル２’の反射面を球面状に形成することによって、ディンプル２’の加工工程を簡略化することもできる。
【００７８】
〔第２発明の実施形態について〕
（１．集光装置の構成について）
本願に係る第２発明の一実施形態について、図７ないし図１１を用いて説明する。
【００７９】
第２発明の一実施形態としての集光装置１０は、図７に示すように、集光ミラー（集光手段）１１と、ビームスプリッタ（レーザ分割手段）１２と、反射板１３ａ・１３ｂと、アキシコンプレート（位相差発生手段、アキシコン型光学素子）１４と、フラットプレート（フラット型光学素子）１５とから構成される。
【００８０】
集光ミラー１１は、入射レーザを反射してビームスプリッタ１２に導くものである。ビームスプリッタ１２は、集光ミラー１１により導かれた入射レーザを２分割し、反射板１３ａ・１３ｂに導くものである。反射板１３ａにより反射された入射レーザはアキシコンプレート１４に導かれ、反射板１３ｂにより反射された入射レーザはフラットプレート１５に導かれる。
【００８１】
アキシコンプレート１４は、入射レーザの波面が出射レーザの波面に対して傾斜するように形成された光学素子であり、円錐型の光学素子であってもよいし、図８に示すように、垂直断面の形状が三角形であるくさび形の光学素子であってもよい。フラットプレート１５は、厚みが一様な平板状の光学素子である。これらのアキシコンプレート１４およびフラットプレート１５のそれぞれを透過した入射レーザは、ターゲット表面ＴＳにおいて重ね合わせられる。なお、集光ミラー１１は、アキシコンプレート１４およびフラットプレート１５のそれぞれを透過した入射レーザが重ね合わせられるような位置に設置される。
【００８２】
また、アキシコンプレート１４において入射レーザの中心が通過する部分の厚みと、フラットプレート１５の厚みとは等しく設定されている。この理由については後述する。
【００８３】
（２．集光装置の光学的機能）
上記構成の集光装置１０を用いることにより、ブロードバンド光の集光プロファイルを平坦化することが可能となる。以下、この理由について具体的に説明する。なお、以下の説明では説明の便宜上、アキシコンプレート１４として図８に示すようなくさび形の光学素子（１次元アキシコンプレート）を用いる場合について説明する。
【００８４】
また、入射レーザは、図９（ａ）に示すように、所定の空間位置においてレーザ強度が一様であるフラットトップ型の強度プロファイルを有しており、波長成分として、波長λ1・λ2・λ3を含んでいるブロードバンド光であるとする。さらに、ビームスプリッタ１２は、集光ミラー１１から導かれる入射レーザ（レーザα）を、等しい強度を有する２つのレーザに分割して反射板１３ａ・１３ｂに導くものとする。
【００８５】
フラットプレート１５を透過したレーザ（レーザβ）と、アキシコンプレート１４を透過したレーザ（レーザγ）とは、ターゲット表面ＴＳにおいて、図９（ｂ）に示すように、両レーザは、その中心部分においては位相が一致するが、レーザの外周部分に向かうにつれて位相差が大きくなる状態にて重ね合わせられる。なお、図９（ｂ）においては、フラットプレート１５を透過したレーザの位相情報について参照符号βを付し、アキシコンプレート１４を透過したレーザの位相情報について参照符号γを付している。
【００８６】
このように両レーザが位相の異なる状態にて重ね合わせられるのは、図７および図８に示すように、アキシコンプレート１４における底面１４ａと斜面１４ｂとの間にウェッジ角θが形成されているからである。
【００８７】
すなわち、上述したように、アキシコンプレート１４において入射レーザの中心が通過する部分の厚みと、フラットプレート１５の厚みとは等しく設定されているので、レーザβおよびレーザγのそれぞれの中心における、集光ミラー１１からターゲット表面ＴＳまでの光路長は等しい。したがって、レーザβとレーザγとは、その中心部分において位相が一致する。
【００８８】
さらに、アキシコンプレート１４はウェッジ角θに応じてその厚みが変化するので、レーザβにおける中心部分以外のレーザと、レーザγにおける中心部分以外のレーザとの間には、集光ミラー１１からターゲット表面ＴＳまでの光路長に差が発生することになる。したがって、レーザγのうち、アキシコンプレート１４における厚みの大きな部分を透過するものは、レーザβよりも位相が遅れた状態になる。一方、レーザγのうち、アキシコンプレート１４における厚みの小さな部分を透過するものは、レーザβよりも位相が進んだ状態になる。もちろん、アキシコンプレート１４におけるウェッジ角θを変化させれば、レーザβとレーザγとの間に生じる位相差も変化することとなる。
【００８９】
そして、上述のように位相差が設けられた状態でレーザβとレーザγとがターゲット表面ＴＳで重ね合わせられて干渉しあうことにより、レーザβとレーザγとを集光したレーザには高次モード成分が発生する。したがって、入射レーザの低次モード成分が不均一な状態であっても、低次モード成分が高次モード成分として変換されることにより、低次モード成分の不均一性が解消される。
【００９０】
よって、ターゲット表面ＴＳにおいてレーザβとレーザγとが重ね合わせた集光プロファイルには、入射レーザにおける不均一な低次モード成分は出現しなくなる。さらに、同一光源から発せられたレーザαを分割して得られるレーザβとレーザγとを干渉させて高次モード成分を生成しているので、入射レーザの波長が多少変化しても、入射レーザの低次モード成分における不均一性を解消できる。
【００９１】
上述のように、レーザβとレーザγとを重ね合わせたレーザに高次モード成分を発生させることができる。さらに、ビームスプリッタ１２において分割されるレーザβおよびレーザγの強度比、アキシコンプレート１４のウェッジ角θ、集光ミラー１１からターゲット表面ＴＳまでの光路長を適正に調整すれば、図１０に示すように、ターゲット表面ＴＳにおいて、比較的フラットな高次モードのスペックルパターンを波長成分λ1・λ2・λ3のそれぞれについて得ることができる。
【００９２】
そして、各波長成分λ1・λ2・λ3のスペックルパターンは、波長に応じて異なる位置に出現するので、これらのスペックルパターンを重ね合わせると、図１１に示すように、平坦化された集光プロファイルを得ることができる。
【００９３】
なお、上述の説明は、アキシコンプレート１４として図８に示すようなくさび形の光学素子を用いる場合について説明したが、アキシコンプレート１４として円錐型の光学素子を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
以上のように、第１発明に係る集光装置および第２発明に係る集光装置によれば、炭酸ガスレーザや色素レーザ等、多原子分子のガスをレーザ媒質とするガスレーザについて、特定の波長成分を抽出することなく集光プロファイルを平坦化することができる。したがって、ガスレーザの出力を有効利用しつつ、ガスレーザをレーザ加工に用いることができる。
【００９５】
また、第１発明に係る集光装置および第２発明に係る集光装置によれば、ブロードバンド光としての自由電子レーザ、マルチレーザ、あるいはその他のスペクトル幅が１〜３％程度のレーザの集光プロファイルを平坦化することもできる。なお、自由電子レーザとは、自由電子群の蛇行運動による制動放射を用いて発振されたレーザであり、自由電子群の時間・空間広がり等がスペクトル幅に影響するので既存レーザと比較するとスペクトル幅が広くなり、ブロードバンド光として見なせるものである。また、マルチレーザとは、空間的・時間的コヒーレンスを有する複数の光源から発せられるレーザである。
【００９６】
したがって、第１発明に係る集光装置および第２発明に係る集光装置によれば、金属・樹脂・半導体・絶縁体・ポリマー等からなる基盤を高精度でレーザ加工することができる。さらに、医療応用分野におけるレーザ治療技術に第１発明に係る集光装置および第２発明に係る集光装置を適用すれば、より精密でなおかつレーザ出力を十分に活用したレーザ治療を実現することができる。
【００９７】
特に、第１発明に係る集光装置によれば、次世代のレーザ光源として期待されている超短パルスレーザの集光プロファイルを平坦化し、該レーザの特質を活かした状態で高精度なレーザ加工に用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本願第１発明に係る集光装置の一実施形態に係る構成を示す断面図である。
【図２】図１の集光装置の光学的作用を説明するための図である。
【図３】（ａ）は、基準ターゲット位置において入射レーザＡ〜Ｃの集光プロファイルを重ね合わせた状態を示す図であり、（ｂ）は、第１ターゲット位置において入射レーザＡ〜Ｃの集光プロファイルを重ね合わせた状態を示す図であり、（ｃ）は、第２ターゲット位置において入射レーザＡ〜Ｃの集光プロファイルを重ね合わせた状態を示す図である。
【図４】（ａ）は、図２のマルチアレイレンズにより分割された全ての入射レーザの集光プロファイルを基準ターゲット位置において重ね合わせた状態を示す図であり、（ｂ）は、図２のマルチアレイレンズにより分割された全ての入射レーザの集光プロファイルを第１ターゲット位置において重ね合わせた状態を示す図であり、（ｃ）は、図２のマルチアレイレンズにより分割された全ての入射レーザの集光プロファイルを第２ターゲット位置において重ね合わせた状態を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｈ）は、図１の集光装置により入射レーザの集光プロファイルが重ね合わせられた状態をシミュレーションした結果を示す画像である。
【図６】本願第１発明に係る集光装置の他の実施形態に係る構成を示す断面図である。
【図７】本願第２発明に係る集光装置の一実施形態に係る構成を示す断面図である。
【図８】図７の集光装置におけるアキシコンプレートの構成を示す斜視図である。
【図９】（ａ）は、図７の集光装置に適用される入射レーザの強度プロファイルの一例を示す図であり、（ｂ）は、図７の集光装置におけるアキシコンプレートおよびフラットプレートのそれぞれを透過したレーザの位相情報を示す図である。
【図１０】図７の集光装置のターゲット表面における入射レーザのスペックルパターンを、波長成分λ1・λ2・λ3のそれぞれについて示す図である。
【図１１】図１０のスペックルパターンを重ね合わせた状態を示す図である。
【図１２】回折型光学部品を用いる従来の集光装置の構成を示す断面図である。
【図１３】マルチアレイレンズを用いる従来の集光装置の構成を示す断面図である。
【図１４】エシェロン板を用いる従来の集光装置の構成を示す断面図である。
【図１５】ランダム位相板を用いる従来の集光装置の構成を示す断面図である。
【図１６】可変型ミラーを用いる従来の集光装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１    集光装置
１’  集光装置
２    ディンプル（第１凹面鏡）
２’  ディンプル（第１凹面鏡）
３    放物面ミラー（第２凹面鏡）
３’  球面ミラー（第２凹面鏡）
６    双曲面鏡（凸面鏡）
８    貫通孔（レーザ通過孔）
１０  集光装置
１１  集光ミラー（集光手段）
１２  ビームスプリッタ（レーザ分割手段）
１４  アキシコンプレート（位相差発生手段、アキシコン型光学素子）
１５  フラットプレート（フラット型光学素子）
【図１】
2005084252.tif 000003
【図２】
2005084252.tif 000004
【図３】
2005084252.tif 000005
【図４】
2005084252.tif 000006
【図５】
2005084252.tif 000007
【図６】
2005084252.tif 000008
【図７】
2005084252.tif 000009
【図８】
2005084252.tif 000010
【図９】
2005084252.tif 000011
【図１０】
2005084252.tif 000012
【図１１】
2005084252.tif 000013
【図１２】
2005084252.tif 000014
【図１３】
2005084252.tif 000015
【図１４】
2005084252.tif 000016
【図１５】
2005084252.tif 000017
【図１６】
2005084252.tif 000018