(57)【要約】【課題】  ノイズ成分であるスペックルを低減し、かつ微小振動せずに正確に被照射対象にレーザー光を照射できるホモジナイザ組立体を得ること。【解決手段】  光ファイバに接続したホモジナイザと光ファイバを微小振動させる微小振動体およびホモジナイザを固定する固定手段とからなり、光ファイバに固定した微小振動体により光ファイバを微小振動させることによりレーザー光のコヒーレンスを低下させてスペックルを低減する。振動周波数は３０Ｈｚ〜１００ｋＨｚが望ましい。該振動は一定周波数あるいは複数周波数の組み合わせでも良い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を伝送する光ファイバと該光ファイバから出射するレーザー光を均一にして被照射対象物に出射させるホモジナイザおよび微小振動を与える振動体とからなり、ホモジナイザは固定して該光ファイバに振動を与えることを特徴とするスペックルを低減したホモジナイザ組立体。
【請求項２】
光ファイバに与える振動周波数が３０Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲にあり、一定周波数あるいは異なる複数の周波数の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のホモジナイザ組立体。
【請求項３】
ホモジナイザが中空ガラス管の内壁に高反射率の金属膜を製膜したことを特徴とする請求項１および請求項２に記載のホモジナイザ組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は微細加工や各種計測等に用いられるレーザー光を被照射対象に照射するに当って該レーザー光を均一な強度のものにするためのホモジナイザ組立体に関するものである。特にホモジナイザから出射されるレーザー光のスペックルを著しく減少させた組立体に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】  紫外光、可視光、赤外光等のレーザー光は通信、医療、工業加工、計測、分析、化学等の広範囲の分野で応用されており光応用分野の重要な技術要素となっている。レーザー発生装置からのレーザー光は光ファイバを介して被照射対象物へと伝送される。この場合レーザー光は伝送途中で減衰を引き起こさず、かつノイズを生じないように伝送される必要があり、伝送系に関する様々な工夫がなされている。【０００３】  広く適用されているレーザー光の伝送は図３ａに示したように光ファイバ３１を伝送して集光レンズ３２を通して被照射対象物に投射される。この場合光ファイバから出射されるレーザー光３３の強度はガウス分布３４を示す。レーザー光をパルス状にしてパルスの有無を信号とする通信等の分野ではこのガウス分布のレーザー光で差し支えないが、他の分野、例えば医療のレーザー治療、微粒子の計測等の多くの分野ではガウス分布ではなく均一な分布を有するレーザー出射光であることの方が望ましい。そこで光ファイバ３１の出射先端に方形もしくは矩形断面のホモジナイザ３６を接続して均一な強度のレーザー出射光を得る方法が開発され特開２００４−１７０４８４号公報に開示されている。該ホモジナイザを用いた構成ではホモジナイザから出射されるレーザー光は図３ｂに示したようにガウス分布ではなく均一な強度のレーザー光となる。該ホモジナイザは基本的には方形もしくは矩形もしくは多角形の高反射率材料からなる導波管である。例えば図４ａに示したように方形もしくは矩形の金属導波管４１からなる。この場合導波管を構成する金属材料としては高反射率であることが重要なので金、銀、モリブデン、ニッケル等が用いられる。しかし金属導波管のみでホモジナイザを構成した場合、導波管内壁面が粗くなりやすく反射率が低下しやすい。そこで改良された構成として図４ｂに示したように金属の替わりに平滑な面が得やすいガラス管を用いることが開示されている。但しガラスのみでホモジナイザを構成すると、ガラスそのものは反射率が低いのでホモジナイザの伝送損失が増大する。そのためガラス管４２の内壁に高反射率の金属膜４３を形成した構成のホモジナイザが有用であることが上記公報に開示されている。該金属膜としては紫外光を例に取るとアルミニウムが適しており、該アルミニウム膜をガラス導波管内壁に形成する方法としては特許３３４１００７号公報に記された方法が好ましいと記載されている。
【特許文献１】  特開２００４−１７０４８４号公報
【特許文献２】  特許３３４１００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】ホモジナイザを適用することによりレーザー光は均一な出射光となるが、なお仔細にみるとスペックルと称するノイズ成分が重畳している。スペックルとは図１ａに示したようにホモジナイザから出射するレーザー光が完全に均一ではなくて微小に変化するノイズ成分を表す。このようなスペックルが残存すると例えばレーザー光を用いて計測を行う場合、計測誤りを生じたりして好ましくない。【０００５】  そこでスペックルを低減するためにホモジナイザの出射側の先端を微小振動させることが特開平５−２８５６８４号公報に開示されている。該公報では誘電体薄膜でコートされた金属壁からなるカライドスコープ（言葉は違うがホモジナイザである）のレーザー光入射端部を固定して出射端部を振動させることで均一度を改善している。しかしこの方法では均一度を増すことに効果はあるものの、出射端部を微小振動させるので必然的に被照射対称に照射されたレーザー光はその位置を微小振動させながら被照射対象に照射されてしまう。たとえ該公報に図示されたようにホモジナイザ出射部に集光レンズを設けたにせよ集光レンズを通ったレーザー光には未だに照射位置の微小振動が残存する。そのため計測ノイズを増大させてしまうことになり、該方法は決して好ましくない。従ってホモジナイザの出射側のレーザー光の位置が微小振動しないようなスペックルの低減方法を見出すことが望まれていた。
【特許文献３】  特開平５−２８５６８４号公報
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記に述べたレーザー光の位置が微小振動せずにスペックルを低減する方法として本発明はホモジナイザを微小振動させるのではなくて、ホモジナイザは固定して該ホモジナイザの入射側の光ファイバを微小振動させることを特徴とする。該微小振動は一定周期の振動でも良いし、あるいは非一定周期の振動でも構わない。またその周波数は３０Ｈｚ以上であれば効果を有する。また振幅は５ｍｍ以下で充分である。この新規な方法によりホモジナイザから出射するレーザー光はコヒーレンスが低下して干渉を生じ難いのでスペックルが著しく低減される。かつホモジナイザ自体は振動せずに固定させるので、レーザー光を正確に被照射対象に照射することが可能なホモジナイザ組立体を得ることが出来る。以下に詳細を述べる。なお本特許では光ファイバとホモジナイザを接続したものをホモジナイザ組立体と定義することにする。この場合光ファイバを微小振動させるための微小振動体やホモジナイザを固定するための固定手段を含むものをもホモジナイザ組立体と定義する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】  図２に本発明の一実施例を示す。２１はレーザー光源から発せられたレーザー光２３を導く光ファイバ、２６は光ファイバに接続されたホモジナイザ、２２は集光レンズである。２５はホモジナイザを固定する固定手段、２４は光ファイバを振動させる振動手段である。レーザーは使用目的により選択され例えばＹＡＧレーザーの３倍波（波長３５５ｎｍ）や４倍波（波長２６６ｎｍ）が適用される。レーザー光を伝播する光ファイバは光通信用に使用されている中心部に屈折率の大きなコア材、外周部に低屈折率のクラッド材を用いたファイバを適用出来る。あるいは高ピークパワーの短パルスレーザー光の場合には該レーザー光の伝送に適した中空のガラスファイバを適用しても良い。上記いずれの光ファイバも適用できるが、その大きさはホモジナイザとの接続を考慮するとホモジナイザと同程度の大きさであるほうが接続が容易になるので好ましい。具体的にはのちに述べるようにホモジナイザの大きさが０．６〜１．４ｍｍ程度なので、例えばマルチモードのコア径４００μｍ、クラッド径６００μｍの光ファイバが適している。【０００８】  ホモジナイザの形状は方形の例を図４に示したが方形以外に矩形や六角形、八角形等の多角形でも構わない。その構成は図４に示したような金属材料からなるものや、ガラス管４２の内壁に金属膜４３を製膜したものがある。このうち特に面粗さの小さいガラス管を用いて、その内壁に金属膜を製膜したホモジナイザが伝送損失の少ないホモジナイザとして有用である。この場合金属膜はレーザー光の波長に応じて選択される。一例を示すとレーザー波長２６６ｎｍ、３５５ｎｍの場合アルミニウム膜が、また波長５３２ｎｍの場合は銀膜がそれぞれ適している。アルミニウムの製膜は先に述べた特許３３４１００７号公報に記載の方法、すなわち加熱したガラス管内壁にアルミニウムの蒸気を導入して製膜する方法が適している。銀膜の製膜には広く知られている無電解メッキ法やＣＶＤ法が適している。銀膜の場合耐食性の問題を生じる恐れがあるので銀の上にさらに誘電体を製膜した構成としても構わない。製膜する金属膜の厚さには特に制約は無いが、ピンホールが無いことや、厚くしすぎると剥離の恐れを生じることを考慮して例えばおよそ３００ｎｍの厚さに製膜される。【０００９】  ガラス管の大きさは照射ビームサイズ等によって決定されるが例えば方形の場合、内径が０．２×０．２ｍｍ、０．５×０．５ｍｍ、１×１ｍｍの大きさである。これらの場合ガラスの厚さはおよそ０．２ｍｍである。ホモジナイザの長さは特に制約は無いが出射光がガウス分布ではなくて均一なものになるに足りる長さや製造の難易度を考慮しておよそ５０ｍｍが選択される。【００１０】  光ファイバとホモジナイザの接続はまず（図示しないが）光ファイバとホモジナイザの中心線が一致するように位置を仮決めし、エポキシ樹脂、ＵＶ樹脂等の接着樹脂を用いて接続される。特に紫外線硬化型であるＵＶ樹脂は高温度の加熱を必要としないので好適な接続手段である。このようにして組み立てられたレーザー光のホモジナイザから出射するレーザー光は図１ａに示したように非ガウス分布の一定強度のレーザー光となる。しかしながら仔細に見ると図１ａに示すように微小な強度の変動すなわちスペックルが多いものでしかない。【００１１】  本発明は上記スペックルを低減するために光ファイバを微小振動させることに特徴がある。ファイバを微小振動させるには図２に示したように微小振動手段２４を光ファイバ２１にあてがうことで容易に達成できる。微小振動手段２４としてはすでに知られている様々なものが適用出来る。例えば磁歪振動子やピエゾ素子を用いて微小振動させることが出来る。あるいは携帯電話のマナーモードに用いられているように磁石とコイルに流す電流の反発作用を利用した振動手段であっても構わない。これら振動手段を光ファイバに固定することで光ファイバに容易に微小振動を与えることが出来る。【００１２】ファイバを微小振動させることによりスペックルが低減される理由は振動によりレーザー光のコヒーレンスが低下して光干渉が生じ難くなるためと考えられる。このようなコヒーレンスを低下させるに足りうる振動数は３０Ｈｚ以上であれば良い。但しあまり振動数を増すとファイバの機械的信頼性を損なう恐れがあるので本発明では上限を１００ＫＨｚとした。該微小振動は一定周波数である必要はない。上記振動数の範囲であれば異なる複数の振動の組み合わせでも構わない。すなわち非一定周波数の振動も適用可能である。振幅は大きな必要はなく５ｍｍ以下の振幅で充分である。特に１ｍｍ以下の振幅が組立体を構成するのに機械的な信頼性を確保しやすいので好適である。【００１３】  光ファイバを振動させる位置は特に限定されない。原理的には光ファイバを伝送するレーザー光のコヒーレンスを低下させればスペックルが低減されるので、該光ファイバのいずれの位置を振動させて良い。さらに振動は原理的には光ファイバ全体を振動させる必要はなく局所的な振動であっても充分である。但し光ファイバには剛性があるので、局所部を振動させるとその振動は該局所部に留まらずその両端にも（減衰しながら）及んでいく。このように振動させる位置は限定されないが、光ファイバとホモジナイザの接続部の光ファイバを振動させることは接続の信頼性を損なう恐れがあるので、該接続部よりも５０ｍｍ程度離れた位置を振動させることが現実的である。ホモジナイザは固定手段２５で固定されるのでホモジナイザ自体は微小振動しない。以上説明したようにホモジナイザのレーザー光の入射側にある光ファイバを微小振動させることによりスペックルを大幅に低減でき、かつ被照射対象に正確にレーザー光を照射することが可能となる。以下に実施例を記す。
【実施例】
【００１４】  内径が０．５×０．５ｍｍ、外径が０．９×０．９ｍｍで長さが２００ｍｍの方形中空石英ガラス管に四塩化チタンの蒸気を導入し石英ガラス内壁の前処理を行った。次いで該ガラス管を炉内に挿入して１５０℃に加熱した状態でジメチルエチルアミンアラン液をアルゴンガスでバブリングすることにより発生したアルミニウムの蒸気を該ガラス管の内壁に導入した。この操作を１時間続けることにより厚さが３００ｎｍのアルミニウム膜を該ガラス管内壁に製膜した。製膜後ガラス管を５０ｍｍの長さに切断しホモジナイザを得た。【００１５】  次に上記ホモジナイザをマルチモードのコア径４００μｍ、クラッド径６００μｍの光ファイバと接続した。接続は位置合わせ冶具を用いて光ファイバとホモジナイザの中心が一致するように仮固定し、接続部に紫外線硬化樹脂を塗布して８０℃に加熱した状態で紫外線を１０分間照射して行った。【００１６】  次いで該接続部より２００ｍｍレーザー光入射側に離れた位置の光ファイバに振動体を固定した。振動体としては低周波域の場合市販の携帯電話のマナーモード用の磁石応用振動体を採用し該振動体のコイルに流す電流を調節することにより振動周波数を変化させた。また周波数１ｋＨｚ以上の高周波数域の場合には圧電素子を用いた振動体を採用した。これらの振動体は光ファイバに上記と同じ紫外線硬化樹脂を用いて固定した。最後にホモジナイザを冶具上に固定冶具２５を用いて、図示しない台に固定して振動体を振動させてもホモジナイザ自体は振動しないようにしてホモジナイザ組立体を得た。実施例１〜３として振動数を３０Ｈｚ、１ｋＨｚおよび１０ｋＨｚとしてスペックルを測定した。また比較のために２０Ｈｚでも振動させてスペックルを測定した。測定は光ファイバに波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザー光を導入しホモジナイザから出射するレーザー光のプロファイルをビームプロファイラー（ＯＰＨＩＲ社製、型式ＢｅａｍＳｔａｒ−ＦＸ）で測定した。スペックルはレーザー光強度に対するスペックル量の比として示す。測定結果の結果、図１ｂに示すよう３０Ｈｚ以上で振動させた本発明によるホモジナイザ組立体ではスペックルが従来例の図１ａに比較して著しく低減されたプロファイルであった。表１にスペックル比を示すが３０Ｈｚ以上の振動を加えることで比較例に比べてスペックルが低減されていることが判る。
【表１】
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【発明の効果】
【００１７】  以上説明したように本発明のホモジナイザ組立体はホモジナイザから出射するレーザー光のスペックルが著しく低減され、かつ出射レーザー光の位置が振動しないという特徴を有する。従ってノイズが少なくかつ正確に被照射対象にレーザー光を照射することが出来るホモジナイザ組立体として工業上の利用価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】はホモジナイザから出射するレーザー光のプロファイルを示す図。図１ａは従来例、図１ｂは本発明。
【図２】は本発明におけるホモジナイザ組立体の一例を示す概略図。
【図３】は出射するレーザー光のプロファイルを示す図。図３ａはホモジナイザがない場合、図３ｂはホモジナイザを接続した場合のプロファイル。
【図４】はホモジナイザの構成を示す図。図４ａは金属管のみで構成される場合、図４ｂはガラス管内壁に金属膜を製膜した構成。
【符号の説明】
【００１９】２１、３１：光ファイバ
２６、３６：ホモジナイザ
２４：微小振動体
２５：ホモジナイザ固定手段
２３、３３：レーザー光
２２，３２：集光レンズ
４１：金属導波管ホモジナイザ
４２：ガラス管
４３：金属膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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