JP5820126B2 - レーザ光整形用光学系 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形する光学系に関するものである。

一般に、レーザ光は、ガウシアン分布のように、中央近傍が最も強く、周辺へ向けて次第に弱くなる強度分布を有することが多い。しかしながら、レーザ加工などにおいては、空間的に均一な強度分布を有するレーザ光が望まれている。

この点に関し、特許文献１には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布（例えば、トップハット型の強度分布）に整形するレーザ光整形用光学系として、強度変換レンズと位相補正レンズから構成される非球面レンズ型のホモジナイザを備えるものが開示されている。この特許文献１に開示のレーザ光整形用光学系は、強度変換レンズと位相補正レンズの位置ずれに起因する強度分布の不均一を抑制するために、ホモジナイザの下流側に結像光学系（転写レンズ系）を備えている。

また、特許文献２には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布に整形するレーザ光整形用光学系として、上記した非球面レンズ型のホモジナイザ、又は、回折型光学部品（Diffractive Optical Element：ＤＯＥ）から構成される回折型のホモジナイザ等を備えるものが開示されている。この特許文献２に開示のレーザ光整形用光学系は、ホモジナイザの下流側に、対物レンズとこの対物レンズの後方に配置された結像レンズとから構成される結像光学系を備えている。そして、このレーザ光整形用光学系では、その全長を短縮するために、対物レンズは、ホモジナイザの焦点面の手前に配置され、負の焦点距離を有する。

ところで、この種の光学系では、光学系内に配置する部品の大きさや仕様により、レーザ光を拡大したり、縮小したりすることがある。例えば、光学系内に空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）を配置する場合、ＳＬＭの変調効率を高めるためには、レーザ光の大きさがＳＬＭの変調面の大きさと略等しくなるように、レーザ光を拡大又は縮小することが好ましい。

この点に関し、特許文献１及び２に開示のレーザ光整形用光学系では、ホモジナイザの後段に設けられた結像光学系によって、容易にレーザ光の拡大又は縮小を行うことが可能と考えられる。

特開２００７−３１０３６８号公報 特開２００７−１１４７４１号公報

上述したように、ホモジナイザの後段に拡大縮小光学系を配置すると、部品点数が多くなってしまうという問題や、光路長が長くなってしまうという問題が生じる。この点に関し、本願発明者らは、ホモジナイザにおける一対の非球面レンズ（強度変換レンズ及び位相補正レンズ）のみによって、レーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立することを試みた。

しかしながら、以下のような新たな問題が発生した。すなわち、非球面の形状が複雑になってしまうと共に、非球面レンズの面積及び非球面の高低差が大きくなってしまった。その結果、非球面レンズの製作に要する加工時間が増加してしまい、製造コストの増加や加工精度の低下が生じてしまう。また、この種のホモジナイザは、実装スペースが制限される既存の光学系には適用できない可能性がある。

そこで、本発明は、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形するレーザ光整形用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制するレーザ光整形用光学系を提供することを目的とする。

本発明のレーザ光整形用光学系は、入射レーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズと、強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する位相補正レンズと、強度変換レンズと位相補正レンズとの間に配置され、強度変換レンズからの出射レーザ光を拡大又は縮小する拡大縮小光学系とを備える。

このレーザ光整形用光学系によれば、ホモジナイザを構成する強度変換レンズと位相補正レンズとの間に配置された拡大縮小光学系によってレーザ光の拡大又は縮小を行うので、強度変換レンズはレーザ光の強度分布の整形のみを行えばよい。したがって、強度変換レンズの非球面の高低差の増加を抑制することができ、強度変換レンズの加工時間の増加を抑制することが可能となる。更には、位相補正レンズの非球面の高低差の増加をも抑制することができ、位相補正レンズの加工時間の増加をも抑制することが可能となる（詳細は後述する）。

上記した拡大縮小光学系は、一対の凸レンズにより構成されてもよいし、一対の凹レンズ及び凸レンズにより構成されてもよい。この構成によれば、一対のレンズの焦点距離に応じて、レーザ光を任意の大きさに拡大又は縮小することができる。

ここで、実用化を考慮した場合、一対の凸レンズにより構成される拡大縮小光学系では、一旦ビームを集光（クロス）した後に拡大又は縮小することとなるので、光路長が長くなると共に、集光点（クロス点）で空気破壊が発生することがある。また、光学設計上、拡大縮小光学系内に別の光学素子（モニタ等のための反射板等）を配置する必要が生じた場合、集光点付近では光強度が非常に強く、光学素子が損傷する可能性があるため、拡大縮小光学系内に光学素子を配置することができない。

一方、一対の凹レンズ及び凸レンズにより構成される拡大縮小光学系によれば、集光点（クロス点）が存在しないので、光路長を短くすることができ、かつ、集光点での空気破壊が発生することがない。また、拡大縮小光学系内に別の光学素子を配置しても光学素子が損傷しないので、光学設計の自由度が高いという利点があり、更なる小型化が可能である。

本発明によれば、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形するレーザ光整形用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制することが可能となる。

ホモジナイザの一例を示す構成図である。 ホモジナイザにおける入射レーザ光の強度分布の一例、及び、出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。 強度変換レンズの形状の一例を示す図である。 位相補正レンズの形状の一例を示す図である。 ホモジナイザにおける入射レーザ光の強度分布の一例を示す図である。 ホモジナイザにおける出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。 強度変換レンズの形状の一例を示す図である。 位相補正レンズの形状の一例を示す図である。 ホモジナイザにおける出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。 強度変換レンズの形状の一例を示す図である。 位相補正レンズの形状の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ光整形用光学系を示す構成図である。 第１の実施例のレーザ光整形用光学系を示す構成図である。 入射レーザ光の強度分布の計測結果を示す図である。 第１の実施例の強度変換レンズの形状の設計結果を示す図である。 第１の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。 第１の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における波面の計測結果を示す図である。 第１の実施例の位相補正レンズの形状の設計結果を示す図である。 第１の比較例に係るレーザ光整形用光学系を示す構成図である。 第１の比較例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。 第１の比較例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における波面の計測結果を示す図である。 第１の比較例の位相補正レンズの形状の設計結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態（第２の実施例）に係るレーザ光整形用光学系を示す構成図である。 第２の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。 第２の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における波面の計測結果を示す図である。 本発明の第３の実施形態（第３の実施例）に係るレーザ光整形用光学系を示す構成図である。 第３の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。 第３の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における波面の計測結果を示す図である。 第３の実施例の位相補正レンズの形状の設計結果を示す図である。 本発明の第４の実施形態（第４の実施例）に係るレーザ光整形用光学系を示す構成図である。 第４の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。 第４の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光の位相補正レンズ配置位置における波面の計測結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

本発明の実施形態を説明する前に、ホモジナイザ、及び、ホモジナイザの非球面の形状設計の一手法について説明する。図１は、ホモジナイザの一例を示す構成図である。このホモジナイザ１０Ｘは、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、一対の非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘを備える。入射側の非球面レンズ１１Ｘは、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形する強度変換レンズとして機能し、出射側の非球面レンズ１２Ｘは、整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正する位相補正レンズとして機能する。このホモジナイザ１０Ｘでは、一対の非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘの非球面の形状設計により、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。

以下では、ホモジナイザ１０Ｘにおける一対の非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘの非球面の形状設計の一例を例示する。例えば、所望の強度分布を、レーザ加工装置や、光ピンセット、高解像度顕微鏡等において望まれる空間的に均一な強度分布、すなわち、均一強度分布に設定することとする（図２のＯｏ）。ここで、所望の強度分布は、出射レーザ光Ｏｏのエネルギー（所望の強度分布の面積）が入射レーザ光Ｏｉのエネルギー（強度分布の面積）と等しくなるように設定される必要がある。よって、例えば、均一強度分布の設定は以下のように行えばよい。

入射レーザ光Ｏｉの強度分布は、図２に示すように、同心円状のガウシアン分布（波長１０６４ｎｍ、ビーム径５．６ｍｍ ａｔ １/ｅ^２、ω＝２．０ｍｍ）である。ガウシアン分布は下記（１）式により表されるので、入射レーザ光Ｏｉの半径６ｍｍの範囲内のエネルギーは下記（２）式となる。


この場合、ガウシアン分布は半径０ｍｍを中心として回転対称となるため、１次元解析により非球面形状を設計することになる。

一方、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布は、図２に示すように、均一強度分布（次数Ｎ＝８、ω＝２．６５ｍｍ）に設定する。均一強度分布は下記（３）式により表されるので、下記（４）式のように出射レーザ光Ｏｏの半径６ｍｍの範囲内のエネルギーが入射レーザ光Ｏｉのエネルギーに等しくなるためには、出射レーザ光Ｏｏの強度均一部の値はＥ_０＝０．６８７に設定することとなる。


なお、本手法に基づけば、整形後の出射レーザ光の所望の強度分布も規定の関数のみならず、任意の強度分布とすることも可能である。

その後、図１に示すように、強度変換レンズ１１Ｘにおける入射レーザ光Ｏｉの強度分布が位相補正レンズ１２Ｘにおいて所望の強度分布を有する出射レーザ光Ｏｏとなるように、すなわち、入射レーザ光Ｏｉにおける中央付近の強い強度の光が周辺部に拡散され、周辺部の弱い強度の光が収束されるように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａから位相補正レンズ１２Ｘの非球面１２ａへの光路であって、非球面レンズの半径方向の任意の座標における光路Ｐ１〜Ｐ８を求める。

その後、求めた光路Ｐ１〜Ｐ８に基づいて、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状を求める。具体的には、光路Ｐ１〜Ｐ８が得られるように、強度変換レンズ１１Ｘの中心を基準として半径ｒ_１方向の各座標における非球面１１ａの高低差を求める。すると、図３に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まる。

一方、位相補正レンズ１２Ｘの非球面１２ａの形状は、光路Ｐ１〜Ｐ８におけるレーザ光の位相を揃え、平面波となるように求める。具体的には、位相補正レンズ１２Ｘの中心を基準として半径ｒ_２方向の各座標における非球面１２ａの高低差を求める。すると、図４に示すように、位相補正レンズ１２Ｘの非球面１２ａの形状が求まる。

なお、図３及び図４は、非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘの材料としてＣａＦ_２（ｎ＝１．４２）を使用し、非球面１１ａの中心位置（座標ｒ_１＝０の位置）と非球面１２ａの中心位置（座標ｒ_２＝０の位置）との間隔をＬ＝１６５ｍｍとして設計したときの一例である。

ところで、本願発明者らの考案によれば、上記した非球面の形状設計において、レーザ光のビーム径の拡大又は縮小をも考慮することにより、ホモジナイザ１０Ｘにおける一対の非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘのみによって、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形すると共に、ビーム径を所望の大きさに拡大又は縮小した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。

例えば、図５に示すように、同心円状のガウシアン分布（波長１０６４ｎｍ、ビーム径１．４４ｍｍａｔ １/ｅ^２）である強度分布を有する入射レーザ光Ｏｉを、図６に示すように、スーパーガウシアン分布（次数６、ビーム径２．４８２ｍｍａｔ １/ｅ^２）に整形すると共に、ビーム径を拡大した出射レーザ光Ｏｏを生成することとする。この場合、上記した非球面の形状設計に従うと、図７に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まり、図８に示すように、位相補正レンズ１２Ｘの非球面１２ａの形状が求まる。

また、例えば、図５に示すガウシアン状の強度分布を有する入射レーザ光Ｏｉを、図９に示すように、スーパーガウシアン分布（次数６、ビーム径１２．４１ｍｍａｔ１/ｅ^２）に整形すると共に、ビーム径を更に拡大した出射レーザ光Ｏｏを生成することとする。この場合、上記した非球面の形状設計に従うと、図１０に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まり、図１１に示すように、位相補正レンズ１２Ｘの非球面１２ａの形状が求まる。

なお、図７、図８、図１０及び図１１は、非球面レンズ１１Ｘ，１２Ｘの材料としてＭｇＦ_２（ｎ＝１．３７７）を使用し、非球面１１ａの中心位置（座標ｒ_１＝０の位置）と非球面１２ａの中心位置（座標ｒ_２＝０の位置）との間隔をＬ＝１００ｍｍとして設計したときの一例である。

図７、図８、図１０及び図１１では、非球面の高低差の相違を明確化するために、縦軸の基準（高さ０μｍの位置）が非球面レンズ１１Ｘ、１２Ｘの中心（座標ｒ_１＝ｒ_２＝０の位置）と異なる。

図７及び図１０によれば、ビーム径を１２．４１／２．４８２＝５倍に拡大しようとすると、強度変換レンズ１１Ｘの非球面の高低差が大きくなってしまい、強度変換レンズ１１Ｘの非球面の加工量が体積比で約３４倍に増加してしまう。また、図８及び図１１によれば、ビーム径を５倍に拡大しようとすると、位相変換レンズ１２Ｘの面積及び非球面の高低差が大きくなってしまい、位相変換レンズ１２Ｘの非球面の加工量が体積比で約２１４０倍に増加してしまう。

このように、ホモジナイザ、すなわち一対の非球面レンズのみによる拡大又は縮小の倍率を大きく設定すると、換言すれば、一対の非球面レンズのみによってレーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立しようとすると、非球面レンズの面積及び非球面の高低差が大きくなってしまい、非球面レンズの非球面の加工量が増加してしまう。その結果、非球面レンズの製作に要する加工時間が増加してしまい、製造コストの増加が生じてしまう。

また、一対の非球面レンズのみによってレーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立しようとすると、ビーム径を拡大又は縮小させるための成分に対して強度分布を均一化させるための成分の割合が減少するので、拡大又は縮小倍率によってはビーム径を拡大又は縮小させる作用が支配的となり、強度分布を均一化させる作用を十分に得ることができない可能性がある。

そこで、本願発明者らは、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形するレーザ光整形用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制するレーザ光整形用光学系を考案する。
［第１の実施形態］

図１２は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ光整形用光学系を示す構成図である。この第１の実施形態のレーザ光整形用光学系１は、一対の非球面レンズ１１，１２から構成されるホモジナイザ１０と、一対の非球面レンズ１１，１２の間に配置される拡大光学系２０とを備えている。

ホモジナイザ１０は、上記したホモジナイザ１０Ｘと同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、一対の非球面レンズ１１，１２を備える。入射側の非球面レンズ１１は、上記した非球面レンズ１１Ｘと同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形する強度変換レンズとして機能する。一方、出射側の非球面レンズ１２は、上記した非球面レンズ１２Ｘと同様に、整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正する位相補正レンズとして機能する。詳説すれば、位相補正レンズ１２は、強度変換レンズ１１によって強度分布が整形された後に、後述する拡大光学系２０によってビーム径が拡大されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正することとなる。このホモジナイザ１０でも、上記したように、一対の非球面レンズ１１，１２の非球面１１ａ，１２ａの形状設計により、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。強度変換レンズ１１と位相補正レンズ１２との間には、拡大光学系２０が配置されている。

拡大光学系２０は、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光のビーム径を拡大するためのものであり、一対の凸レンズ２１，２２を備える。凸レンズ２１は、強度変換レンズ１１側に配置され、入射面が凸状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凸レンズ２２は、位相補正レンズ１２側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凸状形状をなしている。この拡大光学系２０では、一対の凸レンズ２１，２２の間に集光点が存在する。拡大光学系２０は、一対の凸レンズ２１，２２それぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに拡大することができる。

この第１の実施形態のレーザ光整形用光学系１によれば、ホモジナイザ１０を構成する強度変換レンズ１１と位相補正レンズ１２との間に配置された拡大光学系２０によってレーザ光の拡大を行うので、強度変換レンズ１１はレーザ光の強度分布の整形のみを行えばよい。したがって、強度変換レンズ１１の非球面の高低差の増加を抑制することができ、強度変換レンズ１１の加工時間の増加を抑制することが可能となる。更には、位相補正レンズ１２の非球面の高低差の増加をも抑制することができ、位相補正レンズ１２の加工時間の増加をも抑制することが可能となる（詳細は後述する）。
（第１の実施例）

第１の実施形態のレーザ光整形用光学系１を第１の実施例として設計した。この第１の実施例では、図１３に示すように、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形用光学系１へ入射することとする。

レーザ光源３０には、波長１０６４ｎｍのファイバーレーザを用い、エキスパンダ４０には、一対の凹レンズ４１と凸レンズ４２とから構成されるものを用いた。本実施例では、エキスパンダ４０によって、レーザ光源３０からのレーザ光を、図１４に示すように７．１２ｍｍまで拡大したレーザ光Ｏｉを生成した。図１４によれば、レーザ光整形用光学系１へ入射するレーザ光Ｏｉの強度分布は、同心円状のガウシアン分布である。

そして、上記した非球面の形状設計と同様に、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状を図１５に示すように求めた。

拡大光学系２０には、材質ＢＫ７、厚み４．６ｍｍ、焦点距離４１ｍｍの集光レンズ２１と、材質ＢＫ７、厚み３．６ｍｍ、焦点距離６１．５ｍｍの集光レンズ２２とを用いた。

すると、図１６に示すように、強度変換レンズ１１から５３０ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、この位置で計測したレーザ光の波面を図１７に示す。上記した非球面の形状設計と同様に、強度変換レンズ１１から５３０ｍｍの位置における位相補正レンズ１２の非球面１２ａの形状を図１８に示すように求めた。

なお、強度変換レンズ１１及び位相補正レンズ１２の材質としてＭｇＦ_２（ｎ＝１．３７７）を使用し、拡大光学系２０が無い状態での非球面１１ａの中心位置と非球面１２ａの中心位置との間隔をＬ＝２１５ｍｍと設定し、これに拡大光学系２０を挿入することによる光路変更を考慮して設計した。図１５及び図１８では、非球面の高低差の相違を明確化するために、縦軸の基準（高さ０μｍの位置）が非球面レンズ１１Ｘ、１２Ｘの中心（半径０ｍｍの位置）と異なる。
（第１の比較例）

また、図１９に示すレーザ光整形用光学系１Ｙを第１の比較例として設計した。この第１の比較例のレーザ光整形用光学系１Ｙは、レーザ光整形用光学系１において拡大光学系２０を備えない点で第１の実施例と異なる。

第１の比較例でも、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形用光学系１Ｙへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ｙの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である。

すると、図２０に示すように、強度変換レンズ１１Ｙから２１５ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、この位置で計測したレーザ光の波面を図２１に示す。上記した非球面の形状設計と同様に、強度変換レンズ１１Ｙから２１５ｍｍの位置における位相補正レンズ１２Ｙの非球面１２ａの形状を図２２に示すように求めた。

なお、位相補正レンズ１２Ｙの材質もＭｇＦ_２（ｎ＝１．３７７）を使用することとする。図２２でも、非球面の高低差の相違を明確化するために、縦軸の基準（高さ０μｍの位置）が非球面レンズ１２Ｘの中心（半径０ｍｍの位置）と異なる。
（比較検証）

位相補正レンズ１２，１２Ｙにおける強度分布（図１６、２０）、及び、波面（図１７、２１）をそれぞれ比較すると、第１の実施例によれば、強度変換レンズ１１と位相補正レンズ１２との間に拡大光学系２０を配置することにより、拡大光学系２０の拡大率に相当する６１．５/４１=１．５倍程度にレーザ光を拡大することができた。

そして、このようにレーザ光を拡大するために、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した（図１５）。また、位相補正レンズ１２についても、図１８及び図２２に示すように、拡大光学系２０の拡大率に比例して面積が増加するだけで、非球面１２ａの高低差はほぼ同程度であることを確認した。これより、第１の実施例によれば、強度変換レンズ１１及び位相補正レンズ１２の加工時間の増加を抑制することが可能となる。
［第２の実施形態］

図２３は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ光整形用光学系を示す構成図である。この第２の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ａは、一対の非球面レンズ１１Ａ，１２Ａから構成されるホモジナイザ１０Ａと、一対の非球面レンズ１１Ａ，１２Ａの間に配置される拡大光学系２０Ａとを備えている。

ホモジナイザ１０Ａは、上記したホモジナイザ１０と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、一対の非球面レンズ１１Ａ，１２Ａを備える。入射側の非球面レンズ１１Ａは、上記した非球面レンズ１１と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形する強度変換レンズとして機能する。一方、出射側の非球面レンズ１２Ａは、上記した非球面レンズ１２と同様に、整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正する位相補正レンズとして機能する。詳説すれば、位相補正レンズ１２Ａは、強度変換レンズ１１Ａによって強度分布が整形された後に、後述する拡大光学系２０Ａによってビーム径が拡大されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正することとなる。このホモジナイザ１０Ａでも、上記したように、一対の非球面レンズ１１Ａ，１２Ａの非球面１１ａ，１２ａの形状設計により、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。強度変換レンズ１１Ａと位相補正レンズ１２Ａとの間には、拡大光学系２０Ａが配置されている。

拡大光学系２０Ａは、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光のビーム径を拡大するためのものであり、一対の凹レンズ２１Ａ及び凸レンズ２２Ａを備える。凹レンズ２１Ａは、強度変換レンズ１１Ａ側に配置され、入射面が凹状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凸レンズ２２Ａは、位相補正レンズ１２Ａ側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凸状形状をなしている。この拡大光学系２０Ａでは、一対の凹レンズ２１Ａ及び凸レンズ２２Ａの間に集光点が存在しない。この拡大光学系２０Ａは、一対の凹レンズ２１Ａ及び凸レンズ２２Ａそれぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに拡大することができる。

この第２の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ａでも、第１の実施形態のレーザ光整形用光学系１と同様の利点を得ることができる。

ところで、実用化を考慮した場合、第１の実施形態における拡大光学系２０では、一旦ビームを集光（クロス）した後に拡大することとなるので、光路長が長くなると共に、集光点（クロス点）で空気破壊が発生することがある。また、光学設計上、拡大光学系内に別の光学素子（モニタ等のための反射板等）を配置する必要が生じた場合、集光点付近では光強度が非常に強く、光学素子が損傷する可能性があるため、拡大光学系内に光学素子を配置することができない。

しかしながら、第２の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ａによれば、拡大光学系２０Ａが凹レンズ２１Ａと凸レンズ２２Ａで構成されているので、集光点（クロス点）が存在しない。その結果、光路長を短くすることができ、かつ、集光点での空気破壊が発生することがない。また、拡大光学系内に別の光学素子を配置しても光学素子が損傷しないので、光学設計の自由度が高いという利点があり、更なる小型化が可能である。
（第２の実施例）

第２の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ａを第２の実施例として設計した。この第２の実施例でも、図１３と同様に、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形用光学系１Ａへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ａの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である（図１５）。

拡大光学系２０Ａには、材質ＢＫ７、厚み２ｍｍ、焦点距離１０２．４ｍｍの拡散レンズ２１Ａと、材質ＢＫ７、厚み３ｍｍ、焦点距離１５３．７ｍｍの集光レンズ２２Ａとを用いた。

すると、図２４に示すように、強度変換レンズ１１Ａから４３１．６ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、この位置で計測したレーザ光の波面を図２５に示す。上記した非球面の形状設計と同様に、強度変換レンズ１１Ａから４３１．６ｍｍの位置における位相補正レンズ１２Ａの非球面１２ａの形状を求めた。

なお、強度変換レンズ１１Ａ及び位相補正レンズ１２Ａの材質としてＭｇＦ_２（ｎ＝１．３７７）を使用し、拡大光学系２０Ａが無い状態での非球面１１ａの中心位置と非球面１２ａの中心位置との間隔をＬ＝２１５ｍｍに設定し、これに拡大光学系２０Ａを挿入することによる光路変更を考慮して設計した。

この第２の実施例でも、強度変換レンズ１１Ａと位相補正レンズ１２Ａとの間に拡大光学系２０Ａを配置することにより、拡大光学系２０Ａの拡大率に相当する６１．５/４１=１．５倍程度にレーザ光を拡大することができた。

そして、このようにレーザ光を拡大するために、強度変換レンズ１１Ａの非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した。また、位相補正レンズ１２Ａについても、拡大光学系２０Ａの拡大率に比例して面積が増加するだけで、非球面１２ａの高低差はほぼ同程度であることを確認した。これより、強度変換レンズ１１Ａ及び位相補正レンズ１２Ａの加工時間の増加を抑制することが可能となる。

更に、第１の実施例では、強度変換レンズ１１から５３０ｍｍの位置で均一な強度分布を得たのに対し、第２の実施形態では、強度変換レンズ１１Ａから４３１．６ｍｍの位置で均一の強度分布を得ることができた。すなわち、第２の実施形態では、光路長を短くできることを確認した。
［第３の実施形態］

図２６は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ光整形用光学系を示す構成図である。この第３の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ｂは、一対の非球面レンズ１１Ｂ，１２Ｂから構成されるホモジナイザ１０Ｂと、一対の非球面レンズ１１Ｂ，１２Ｂの間に配置される縮小光学系２０Ｂとを備えている。

ホモジナイザ１０Ｂは、上記したホモジナイザ１０と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、一対の非球面レンズ１１Ｂ，１２Ｂを備える。入射側の非球面レンズ１１Ｂは、上記した非球面レンズ１１と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形する強度変換レンズとして機能する。一方、出射側の非球面レンズ１２Ｂは、上記した非球面レンズ１２と同様に、整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正する位相補正レンズとして機能する。詳説すれば、位相補正レンズ１２Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂによって強度分布が整形された後に、後述する縮小光学系２０Ｂによってビーム径が縮小されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正することとなる。このホモジナイザ１０Ｂでも、上記したように、一対の非球面レンズ１１Ｂ，１２Ｂの非球面の形状設計により、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。強度変換レンズ１１Ｂと位相補正レンズ１２Ｂとの間には、縮小光学系２０Ｂが配置されている。

縮小光学系２０Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂからの出射レーザ光のビーム径を縮小するためのものであり、一対の凸レンズ２１Ｂ，２２Ｂを備える。凸レンズ２１Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂ側に配置され、入射面が凸状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凸レンズ２２Ｂは、位相補正レンズ１２Ｂ側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凸状形状をなしている。この縮小光学系２０Ｂでは、一対の凸レンズ２１Ｂ，２２Ｂの間に集光点が存在する。縮小光学系２０Ｂは、一対の凸レンズ２１Ｂ，２２Ｂそれぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１Ｂからの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに縮小することができる。

この第３の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ｂによれば、ホモジナイザ１０Ｂを構成する強度変換レンズ１１Ｂと位相補正レンズ１２Ｂとの間に配置された縮小光学系２０Ｂによってレーザ光の縮小を行うので、強度変換レンズ１１Ｂはレーザ光の強度分布の整形のみを行えばよい。したがって、強度変換レンズ１１Ｂの非球面の高低差の増加を抑制することができ、強度変換レンズ１１Ｂの加工時間の増加を抑制することが可能となる。更には、位相補正レンズ１２Ｂの非球面の高低差の増加をも抑制することができ、位相補正レンズ１２Ｂの加工時間の増加をも抑制することが可能となる。
（第３の実施例）

第３の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ｂを第３の実施例として設計した。この第３の実施例でも、図１３と同様に、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形用光学系１Ｂへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ｂの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である（図１５）。

縮小光学系２０Ｂには、材質ＢＫ７、厚み３．６ｍｍ、焦点距離６１．５ｍｍの集光レンズ２１Ｂと、材質ＢＫ７、厚み４．６ｍｍ、焦点距離４１ｍｍの集光レンズ２２Ｂとを用いた。

すると、図２７に示すように、強度変換レンズ１１Ｂから５３０ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、この位置で計測したレーザ光の波面を図２８に示す。上記した非球面の形状設計と同様に、強度変換レンズ１１Ｂから５３０ｍｍの位置における位相補正レンズ１２Ｂの非球面１２ａの形状を図２９に示すように求めた。

なお、強度変換レンズ１１Ｂ及び位相補正レンズ１２Ｂの材質としてＭｇＦ_２（ｎ＝１．３７７）を使用し、縮小光学系２０Ｂが無い状態での非球面１１ａの中心位置と非球面１２ａの中心位置との間隔はＬ＝２１５ｍｍに設定し、これに縮小光学系２０Ｂを挿入することによる光路変更を考慮して設計した。図２９でも、非球面の高低差の相違を明確化するために、縦軸の基準（高さ０μｍの位置）が非球面レンズ１１Ｂ、１２Ｂの中心（半径０ｍｍの位置）と異なる。

この第３の実施例でも、強度変換レンズ１１Ｂと位相補正レンズ１２Ｂとの間に縮小光学系２０Ｂを配置することにより、縮小光学系２０Ｂの縮小率に相当する４１／６１．５＝２／３倍程度にレーザ光を縮小することができた。

そして、このようにレーザ光を縮小するために、強度変換レンズ１１Ｂの非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した。また、位相補正レンズ１２Ｂについても、縮小光学系２０Ｂの縮小率に比例して面積が減少するだけで、非球面１２ａの高低差はほぼ同程度であることを確認した。これより、強度変換レンズ１１Ｂ及び位相補正レンズ１２Ｂの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
［第４の実施形態］

図３０は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ光整形用光学系を示す構成図である。この第４の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ｃは、一対の非球面レンズ１１Ｃ，１２Ｃから構成されるホモジナイザ１０Ｃと、一対の非球面レンズ１１Ｃ，１２Ｃの間に配置される縮小光学系２０Ｃとを備えている。

ホモジナイザ１０Ｃは、上記したホモジナイザ１０と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、一対の非球面レンズ１１Ｃ，１２Ｃを備える。入射側の非球面レンズ１１Ｃは、上記した非球面レンズ１１と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形する強度変換レンズとして機能する。一方、出射側の非球面レンズ１２Ｃは、上記した非球面レンズ１２と同様に、整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正する位相補正レンズとして機能する。詳説すれば、位相補正レンズ１２Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃによって強度分布が整形された後に、後述する縮小光学系２０Ｃによってビーム径が縮小されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正することとなる。このホモジナイザ１０Ｃでも、上記したように、一対の非球面レンズ１１Ｃ，１２Ｃの非球面１１ａ，１２ａの形状設計により、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。強度変換レンズ１１Ｃと位相補正レンズ１２Ｃとの間には、縮小光学系２０Ｃが配置されている。

縮小光学系２０Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃからの出射レーザ光のビーム径を縮小するためのものであり、一対の凸レンズ２１Ｃ及び凹レンズ２２Ｃを備える。凸レンズ２１Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃ側に配置され、入射面が凸状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凹レンズ２２Ｃは、位相補正レンズ１２Ｃ側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凹状形状をなしている。この縮小光学系２０Ｃでは、一対の凸レンズ２１Ｃ及び凹レンズ２２Ｃの間に集光点が存在しない。縮小光学系２０Ｃは、一対の凸レンズ２１Ｃ及び凹レンズ２２Ｃそれぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１Ｃからの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに縮小することができる。

この第４の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ｃでも、第３の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ｂと同様の利点を得ることができる。

また、第４の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ｃによれば、第２の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ａと同様に、縮小光学系２０Ｃが凸レンズ２１Ｃと凹レンズ２２Ｃで構成されているので、集光点（クロス点）が存在しない。その結果、光路長を短くすることができ、かつ、集光点での空気破壊が発生することがない。また、縮小光学系内に別の光学素子を配置しても光学素子が損傷しないので、光学設計の自由度が高いという利点があり、更なる小型化が可能である。
（第４の実施例）

第４の実施形態のレーザ光整形用光学系１Ｃを第４の実施例として設計した。この第４の実施例でも、図１３と同様に、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形用光学系１Ｃへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ｃの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である（図１５）。

縮小光学系２０Ｃには、材質ＢＫ７、厚み３ｍｍ、焦点距離１５３．７ｍｍの集光レンズ２１Ｃと、材質ＢＫ７、厚み２ｍｍ、焦点距離１０２．４ｍｍの拡散レンズ２２Ｃとを用いた。

すると、図３１に示すように、強度変換レンズ１１Ｃから４３１．６ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、この位置で計測したレーザ光の波面を図３２に示す。上記した非球面の形状設計と同様に、強度変換レンズ１１Ｃから４３１．６ｍｍの位置における位相補正レンズ１２Ｃの非球面１２ａの形状を求めた。

なお、強度変換レンズ１１Ｃ及び位相補正レンズ１２Ｃの材質としてＭｇＦ_２（ｎ＝１．３７７）を使用し、縮小光学系２０Ｃが無い状態での非球面１１ａの中心位置と非球面１２ａの中心位置との間隔をＬ＝２１５ｍｍに設定し、これに縮小光学系２０Ｃを挿入することによる光路変更を考慮して設計した。

この第４の実施例でも、強度変換レンズ１１Ｃと位相補正レンズ１２Ｃとの間に縮小光学系２０Ｃを配置することにより、縮小光学系２０Ｃの縮小率に相当する４１／６１．５＝２／３倍程度にレーザ光を縮小することができた。

そして、このようにレーザ光を縮小するために、強度変換レンズ１１Ｃの非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した。また、位相補正レンズ１２Ｃについても、縮小光学系２０Ｃの縮小率に比例して面積が減少するだけで、非球面１２ａの高低差はほぼ同程度であることを確認した。これより、強度変換レンズ１１Ｃ及び位相補正レンズ１２Ｃの加工時間の増加を抑制することが可能となる。

更に、第３の実施例では、強度変換レンズ１１Ｂから５３０ｍｍの位置で均一な強度分布を得たのに対し、第４の実施形態では、強度変換レンズ１１Ｃから４３１．６ｍｍの位置で均一の強度分布を得ることができた。すなわち、第４の実施形態では、光路長を短くできることを確認した。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、位相補正レンズによって波面補正を行ってもよい。この場合、位相補正レンズが配置される位置におけるレーザ光の波面を計測し（例えば、図１７、図２１、図２５、図２８、図３２）、計測した波面を補正するように位相補正レンズの非球面を設計すればよい。これにより、光学系内におけるホモジナイザ以外の光学素子に起因する波面歪をも低減することが可能となる。

また、本実施形態では、拡大光学系又は縮小光学系の位置を調節することにより、強度変換レンズからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置を任意の位置に設定することが可能となる。

例えば、第２の実施例において、拡大光学系２０Ａにおける拡散レンズ２１Ａ（材質ＢＫ７、厚み２ｍｍ、焦点距離１０２．４ｍｍ）を強度変換レンズ１１Ａから５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４４１．３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから４５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４２１．９ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから６５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４１２．３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから８５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４０２．６ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから１０５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから３９３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから１２５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから３８３．３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから１４５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから３７３．７ｍｍの位置となる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｙ…レーザ光整形用光学系、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｘ，１０Ｙ…ホモジナイザ、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｘ，１１Ｙ…強度変換レンズ、１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｘ，１２Ｙ…位相補正レンズ、２０，２０Ａ…拡大光学系（拡大縮小光学系）、２０Ｂ，２０Ｃ…縮小光学系（拡大縮小光学系）、２１，２２，２２Ａ，２１Ｂ，２２Ｂ，２１Ｃ…凸レンズ（集光レンズ）、２１Ａ，２２Ｃ…凹レンズ（拡散レンズ）、３０…レーザ光源、４０…エキスパンダ、４１…凹レンズ、４２…凸レンズ。

Claims (4)

1. 入射レーザ光の強度分布を変換して所望の強度分布に整形する強度変換レンズと、
   前記強度変換レンズからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する位相補正レンズと、
   前記強度変換レンズと前記位相補正レンズとの間に配置され、前記強度変換レンズからの出射レーザ光を拡大又は縮小する拡大縮小光学系と、
   を備える、レーザ光整形用光学系。
2. 前記拡大縮小光学系は、一対の凸レンズにより構成される、請求項１に記載のレーザ光整形用光学系。
3. 前記拡大縮小光学系は、凹レンズ及び凸レンズにより構成される、請求項１に記載のレーザ光整形用光学系。
4. 前記位相補正レンズは、非球面形状を有する、請求項１に記載のレーザ光整形用光学系。