(57)【要約】【課題】導光体の出射端におけるレーザ光の光強度分布の均一性を向上させることができるレーザ照射装置を提供する。【解決手段】レーザ照射装置１は、複数のレーザ光源２と、各レーザ光源２から出力されたレーザ光を伝搬させる複数の光ファイバ７を有するファイバアレイ４と、ファイバアレイ４の各光ファイバ７から出射されたレーザ光を合波して出射する導光体５とを備えている。ファイバアレイ４の各光ファイバ７は、ファイバアレイ４の左右方向に一直線上に不等ピッチで配列されている。これにより、各レーザ光源２から出力されたレーザ光が異なる間隔で導光体５に入射されることとなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する複数の光源と、
前記複数の光源から出力された各レーザ光を伝搬させる複数のコア部を有する光導波部材と、
前記複数のコア部を伝搬した各レーザ光を合波して出射する導光体とを備え、
前記複数のコア部の少なくとも１つは、前記光導波部材の前記導光体側において、前記複数のコア部が一直線上に等ピッチで配列された状態に対して前記各コア部の配列方向及び当該配列方向に垂直な方向の少なくとも一方にずれて配置されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
前記複数のコア部は、前記光導波部材の前記導光体側において、一直線上に不等ピッチで配列されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
前記複数のコア部は、前記等ピッチで配列された状態における配列ピッチを２ａとしたときに、前記不等ピッチで配列された状態における配列ピッチの変動の最大値が０．６ａ〜１．０ａであることを特徴とする請求項２記載のレーザ照射装置。
【請求項４】
前記光導波部材は、複数の光ファイバを有するファイバアレイであり、
前記複数の光ファイバの少なくとも１つは、前記複数の光ファイバが一直線上に等ピッチで配列された状態に対して前記各光ファイバの配列方向及び当該配列方向に垂直な方向の少なくとも一方にずれて配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ照射装置。
【請求項５】
前記光導波部材は、複数の光ファイバを有するファイバアレイと、前記ファイバアレイと前記導光体との間に配置され、前記複数の光ファイバと接続される複数の導波路コアを有する平面導波路とを有し、
前記複数の導波路コアの少なくとも１つは、前記平面導波路の前記導光体側において、前記複数の導波路コアが一直線上に等ピッチで配列された状態に対して前記各導波路コアの配列方向及び当該配列方向に垂直な方向の少なくとも一方にずれて配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を対象物に照射するレーザ照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ照射装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、レーザ発振器から発振されたレーザ光を入射レンズで集光してカライドスコープ内に入射し、そのレーザ光をカライドスコープ内で繰り返し反射させてカライドスコープから出力させるようにしたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２１２０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のようなレーザ照射装置においては、高出力化のために半導体レーザを複数設け、これらの半導体レーザから出力された各レーザ光を導光体に入射して合波させるものがある。しかし、そのような複数の半導体レーザ及び導光体を有するレーザ照射装置では、導光体の出射端の特定位置でレーザ光の光強度が極端に変化し、結果的に光強度分布の均一性が悪化するという不具合が発生する。
【０００５】
本発明の目的は、導光体の出射端におけるレーザ光の光強度分布の均一性を向上させることができるレーザ照射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のレーザ照射装置は、レーザ光を出力する複数の光源と、複数の光源から出力された各レーザ光を伝搬させる複数のコア部を有する光導波部材と、複数のコア部を伝搬した各レーザ光を合波して出射する導光体とを備え、複数のコア部の少なくとも１つは、光導波部材の導光体側において、複数のコア部が一直線上に等ピッチで配列された状態に対して各コア部の配列方向及び当該配列方向に垂直な方向の少なくとも一方にずれて配置されていることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明者等は、導光体の出射端におけるレーザ光の光強度分布について鋭意追究を重ねた。上記のように複数の光源、光導波部材及び導光体を備えたレーザ照射装置では、各レーザ光は、導光体の出射端部に各々の干渉縞を生成し、不均一な光強度分布を発生させる。このとき、光導波部材の各コア部が一直線上に等ピッチで配列されていると、各レーザ光による干渉縞が強め合う場所及び弱め合う場所を局在させる。その結果、導光体の出射端の特定位置でレーザ光の光強度が極端に変化するという事実を見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００８】
即ち、複数のコア部の少なくとも１つを、光導波部材の導光体側において、複数のコア部が一直線上に等ピッチで配列された状態に対して各コア部の配列方向及び当該配列方向に垂直な方向の少なくとも一方にずらして配置することにより、各レーザ光による干渉縞が強め合う場所及び弱め合う場所が平均化されて局在しないようになる。これにより、導光体から出射されるレーザ光の光強度分布の均一性を向上させることができる。
【０００９】
好ましくは、複数のコア部は、光導波部材の導光体側において、一直線上に不等ピッチで配列されている。この場合には、導光体の厚さを薄くすることで、導光体の断面積を小さくすることができる。従って、レーザ光の光密度を十分高くすることができる。
【００１０】
このとき、複数のコア部は、等ピッチで配列された状態における配列ピッチを２ａとしたときに、不等ピッチで配列された状態における配列ピッチの変動の最大値が０．６ａ〜１．０ａであることが好ましい。この場合には、レーザ光の光強度分布のＰＶ（peak−valley）率が良好になるため、光強度分布の均一性を一層向上させることができる。
【００１１】
また、好ましくは、光導波部材は、複数の光ファイバを有するファイバアレイであり、複数の光ファイバの少なくとも１つは、複数の光ファイバが一直線上に等ピッチで配列された状態に対して各光ファイバの配列方向及び当該配列方向に垂直な方向の少なくとも一方にずれて配置されている。この場合には、光導波部材を１つの部品で簡単に実現することができる。
【００１２】
また、光導波部材は、複数の光ファイバを有するファイバアレイと、ファイバアレイと導光体との間に配置され、複数の光ファイバと接続される複数の導波路コアを有する平面導波路とを有し、複数の導波路コアの少なくとも１つは、平面導波路の導光体側において、複数の導波路コアが一直線上に等ピッチで配列された状態に対して各導波路コアの配列方向及び当該配列方向に垂直な方向の少なくとも一方にずれて配置されていても良い。この場合には、各導波路コア間の間隔を狭く、つまり導波路クラッドを薄く形成し、光導波部材の高密度化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、導光体の出射端におけるレーザ光の光強度分布の均一性が高い優れたレーザ照射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係わるレーザ照射装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１に示したファイバアレイの断面図である。
【図３】図１に示した導光体の斜視図である。
【図４】５台のレーザ光源から出力されたレーザ光が導光体に入射される状態のイメージを示す概念図である。
【図５】図４に示したイメージをクラッドの領域に存在するレーザ光源の鏡像を考慮して示す概念図である。
【図６】５台のレーザ光源から出力される各レーザ光の光強度分布及び各光強度分布の和のイメージを示すグラフである。
【図７】ファイバアレイの各光ファイバの配列ピッチが等ピッチである状態を示す概念図である。
【図８】図２に示したファイバアレイの各光ファイバの配列ピッチを示す概念図である。
【図９】実際に複数の光ファイバを等ピッチの状態に対してずらしたときのＰＶ率の試算結果を示すグラフである。
【図１０】本発明に係わるレーザ照射装置の他の実施形態の一部を示す平面図である。
【図１１】図１０に示したファイバアレイの断面図である。
【図１２】図１０に示したピッチ変換平面導波路の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係わるレーザ照射装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係わるレーザ照射装置の一実施形態を示す構成図である。同図において、本実施形態のレーザ照射装置１は、複数のレーザ光源２と、複数のレンズ３と、ファイバアレイ４と、導光体５と、結像光学系６とを備えている。
【００１７】
レーザ光源２は、レーザ光を出力する光源である。レーザ光源２としては、半導体レーザ（ＬＤ）が用いられる。レンズ３は、レーザ光源２から出力されたレーザ光を集光して光ファイバ７に入射させる。
【００１８】
ファイバアレイ４は、図２に示すように、複数の光ファイバ７と、基板８と、押さえ板９とからなっている。光ファイバ７は、レーザ光を伝搬させるコア７ａと、このコア７ａを包囲するクラッド７ｂとからなっている。基板８の上面には、各光ファイバ７の一端部を位置決め・整列（図１参照）する複数のＶ溝１０が形成されている。押さえ板９は、各Ｖ溝１０に収容された各光ファイバ７の一端部を基板８に対して押さえる。
【００１９】
各Ｖ溝１０は、基板８の左右方向（図示Ｘ方向）に配列されている。また、各Ｖ溝１０の幅及び深さは、全て等しくなっている。このため、各光ファイバ７は、基板８の左右方向（図示Ｘ方向）に一直線上に配列されている。このとき、各Ｖ溝１０は、等ピッチでなく不等ピッチで配列されている。従って、各光ファイバ７の配列ピッチは、ランダムな不等ピッチとなっている。つまり、各光ファイバ７のコア７ａは、基板８の左右方向に一直線上に不等ピッチで配列されていることとなる。
【００２０】
導光体５は、図３に示すように、複数の光ファイバ７から出射された各レーザ光を矩形コア導波路により合波して出射する直方体状の光部品である。導光体５は、矩形コア導波路を形成する導光体コア５ａと、この導光体コア５ａを包囲する導光体クラッド５ｂとからなっている。導光体５は、例えば石英ガラスにより形成されている。
【００２１】
結像光学系６は、導光体５から出射されたレーザ光を照射対象物１１の表面上に結像させる。
【００２２】
図４は、５台のレーザ光源２（ＬＤ１〜ＬＤ５とする）から出力されたレーザ光が導光体５に入射される状態のイメージを示す概念図である。なお、図４においては、光ファイバ７は省略してある。従来では、レーザ光源２から出力されるレーザ光は、全て同じ間隔で導光体５に入射される。
【００２３】
図４に示すような構成では、導光体５の出射端において、光の干渉により顕著な光強度分布が観察される。異なるレーザ光源２から出力されるレーザ光は、光の位相が揃っていないので干渉はしない。レーザ光源２から出力されるレーザ光が導光体５の出射端に直接到達する成分（直接光）と、同じレーザ光源２から出力されるレーザ光が導光体コア５ａと導光体クラッド５ｂとの境界で反射して導光体５の出射端に到達する成分（反射光）とが干渉する。
【００２４】
ここで、図５から分かるように、レーザ光源ＬＤ１から出力される直接光と反射光とのなす角をθとすると、レーザ光源ＬＤ２から出力される直接光と反射光とのなす角は３θ、レーザ光源ＬＤ３から出力される直接光と反射光とのなす角は５θ、レーザ光源ＬＤ４から出力される直接光と反射光とのなす角は７θ、レーザ光源ＬＤ５から出力される直接光と反射光とのなす角は９θと考えて良い。
【００２５】
続いて、レーザ光源２から出力されるレーザ光による干渉縞について考える。レーザ光源２から出力される直接光と反射光とのなす角をαとすると、干渉縞の周期Ｄは、大凡下記の式（角度αの二光束干渉の式）で表される。
Ｄ＝λ／（ｎ・ｓｉｎα）≒λ／（ｎ・α）
λ：波長
ｎ：導光体コアの屈折率
【００２６】
一般に導光体クラッド５ｂへの光の浸み出しは少ないので、導光体クラッド５ｂでは光波が存在しない。このため、導光体コア５ａと導光体クラッド５ｂとの境界は、上記の干渉縞の始点となる。また、αは十分小さいので、ｓｉｎα＝αと考えて良い。
【００２７】
上記の仮定により、レーザ光源ＬＤ１から出力されるレーザ光による干渉縞の周期をＤとすると、レーザ光源ＬＤ２から出力されるレーザ光による干渉縞の周期はＤ／３、レーザ光源ＬＤ３から出力されるレーザ光による干渉縞の周期はＤ／５、レーザ光源ＬＤ４から出力されるレーザ光による干渉縞の周期はＤ／７、レーザ光源ＬＤ５から出力されるレーザ光による干渉縞の周期はＤ／９となる。実際に導光体５の出射端で観測される光強度分布は、上記の周期の光強度分布の和となる。
【００２８】
レーザ光源ＬＤ１〜ＬＤ５から出力される各レーザ光の光強度分布（各干渉縞の最大強度は同じ）及び各光強度分布の和のイメージを図６に示す。図６において、導光体５の出射端（横軸）が０ＡＵの位置は、導光体５の導光体コア５ａと導光体クラッド５ｂとの境界位置を示している。レーザ光源ＬＤ１〜ＬＤ５から出力されるレーザ光の光強度分布の和に着目すると、導光体５の出射端が５０ＡＵの位置で光強度がゼロとなる。
【００２９】
ここで、光強度分布の均一性は、下記のＰＶ（peak−valley）率で表現される。
ＰＶ率＝（ｍａｘ強度−ｍｉｎ強度）／ｍａｘ強度
【００３０】
ＰＶ率は、「１」が最大値となる。ＰＶ率が「１」のときに、光強度分布の均一性が最も悪く、ＰＶ率が「０」のときに、光強度分布の均一性が最も高くなる。図６に示す観測結果では、ＰＶ率が「１」であるため、光強度分布の均一性が悪くなっている。
【００３１】
以上のように、複数のレーザ光源２から出射される各レーザ光が等間隔で導光体５に入射されると、導光体５の出射端の特定位置で光強度が極端に落ち込み、結果的に光強度分布の均一性が悪くなる。その原因は、各レーザ光源２から出射されるレーザ光による干渉縞の周期がＤ、Ｄ／３、Ｄ／５…と整数分の１となるためであると考えられる。
【００３２】
そこで、本実施形態では、各レーザ光源２から出射されるレーザ光による干渉縞の周期が整数分の１とならないように、各レーザ光源２から出射される直接光と反射光とのなす角がθ、３θ、５θ、…（２ｉ−１）θとなる関係が崩れるようにする。
【００３３】
具体的には、図７に示すように、ファイバアレイ４の各光ファイバ７の配列ピッチを等ピッチにするのではなく、図８に示すように、ファイバアレイ４の各光ファイバ７の配列ピッチを不等ピッチにする。つまり、各光ファイバ７の配列ピッチが所定値（２ａ）になっている状態に対し、各光ファイバ７を配列方向にｂｉ（ｉ＝１〜５）の範囲でずらすようにする。これにより、複数のレーザ光源２から出射される各レーザ光が異なる間隔で導光体５に入射されることとなる。
【００３４】
ここで、実際に複数の光ファイバを等ピッチの状態に対してずらしたときのＰＶ率の試算結果を図９に示す。このとき、レーザ光源の数を２０台とし、それに合わせて乱数を用いて２０本の光ファイバを等ピッチの状態に対してランダムに変動させた。図中の横軸は、光ファイバに付与する変動の最大値を示し、図中の縦軸は、ＰＶ率（平均値、標準偏差）を示している。横軸の「１．０」は、各光ファイバの配列ピッチが所定値（２ａ）である状態に対し、各光ファイバに最大ａの変動を与えたものに相当し、横軸の「０．１」は、同様の状態に対し、各光ファイバに最大０．１ａの変動を与えたものに相当する。
【００３５】
乱数セットを変えて１０回ずつ計算を行い、ＰＶ率を求めた。そして、その平均値及び標準偏差をプロットした。図９に示す試算結果から、各光ファイバに与えた変動の最大値が０．６ａ以上１．０ａ以下になると、ＰＶ率の平均値が１．０から０．６５程度に顕著に改善していることが分かる。
【００３６】
以上のように本実施形態によれば、ファイバアレイ４の各光ファイバ７の配列ピッチを不等ピッチとしたので、導光体５において各レーザ光源２から出力されるレーザ光による干渉縞の現れ方がランダムになり、導光体５の出射端位置における光強度分布のＰＶ率が改善される。これにより、導光体５から光強度が均一なレーザ光が出射されるようになる。
【００３７】
図１０は、本発明に係わるレーザ照射装置の他の実施形態の一部を示す平面図である。図中、上記実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３８】
同図において、本実施形態のレーザ照射装置２０は、ファイバアレイ４と、このファイバアレイ４と導光体５との間に配置されたピッチ変換平面導波路２１とを備えている。ピッチ変換平面導波路２１は、ファイバアレイ４と接着剤で接着または融着されている。
【００３９】
ファイバアレイ４は、図１１に示すように、複数の光ファイバ７と、基板８と、押さえ板９とからなっている。基板８の上面に形成された各Ｖ溝１０の配列ピッチは、等ピッチとなっている。従って、各光ファイバ７の配列ピッチは、等ピッチとなっている。
【００４０】
ピッチ変換平面導波路２１は、図１０及び図１２に示すように、例えば純石英やシリコンで形成された基板２２と、この基板２２上に形成され、各光ファイバ７のコア７ａと接続される複数の導波路コア２３と、これらの導波路コア２３を包囲する導波路クラッド２４とからなっている。導波路コア２３は、基板２２の左右方向（図示Ｘ方向）に一直線上に配列されている。導波路コア２３は、高屈折率材料、例えばＧｅが添加された石英で形成されている。導波路クラッド２４は、低屈折率材料、例えば純石英と同等の屈折率を有する石英で形成されている。
【００４１】
各導波路コア２３は、ピッチ変換平面導波路２１の入射端面（ファイバアレイ４側端面）では等ピッチで配列されるように形成され、ピッチ変換平面導波路２３の出射端面（導光体５側端面）では不等ピッチで配列されるように形成されている。
【００４２】
このように本実施形態においては、ピッチ変換平面導波路２１における導光体５側の各導波路コア２３の配列ピッチを不等ピッチとしたので、上記の実施形態と同様に、導光体５の出射端位置における光強度分布のＰＶ率が改善される。これにより、導光体５から光強度が均一なレーザ光が出射されるようになる。
【００４３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ファイバアレイ４における各光ファイバ７の配列ピッチを不等ピッチとしたり、ピッチ変換平面導波路２１における導光体５側の各導波路コア２３の配列ピッチを不等ピッチとしたが、特にそのような構成には限られない。
【００４４】
例えば、ファイバアレイ４における各光ファイバ７の配列ピッチを等ピッチとした状態で、当該各光ファイバ７の高さ位置（図中のＹ方向位置）をずらしても良く、或いはファイバアレイ４における各光ファイバ７の配列ピッチを不等ピッチとしつつ、当該各光ファイバ７の高さ位置をずらしても良い。また、ピッチ変換平面導波路２１における導光体５側の各導波路コア２３の配列ピッチを等ピッチとした状態で、導光体５側の各導波路コア２３の高さ位置（図中のＹ方向位置）をずらしても良く、或いはピッチ変換平面導波路２１における導光体５側の各導波路コア２３の配列ピッチを不等ピッチとしつつ、導光体５側の各導波路コア２３の高さ位置をずらしても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１…レーザ照射装置、２…レーザ光源、４…ファイバアレイ（光導波部材）、５…導光体、７…光ファイバ、７ａ…コア（コア部）、２０…レーザ照射装置、２１…ピッチ変換平面導波路（光導波部材）、２３…導波路コア（コア部）。
【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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