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WO2019021559A1 - レーザービーム照射装置及びレーザービーム照射システム - Google Patents

レーザービーム照射装置及びレーザービーム照射システム Download PDF

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Publication number
WO2019021559A1
WO2019021559A1 PCT/JP2018/016832 JP2018016832W WO2019021559A1 WO 2019021559 A1 WO2019021559 A1 WO 2019021559A1 JP 2018016832 W JP2018016832 W JP 2018016832W WO 2019021559 A1 WO2019021559 A1 WO 2019021559A1
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WO
WIPO (PCT)
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laser
laser beam
optical system
light sources
emitted
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/016832
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
優 岩清水
浩之 醍醐
伸吾 西方
一範 益川
敦司 落合
戎崎　俊一
和田　智之
滝澤　慶之
Original Assignee
三菱重工業株式会社
国立研究開発法人理化学研究所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱重工業株式会社, 国立研究開発法人理化学研究所 filed Critical 三菱重工業株式会社
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Priority to US16/629,113 priority patent/US11387618B2/en
Publication of WO2019021559A1 publication Critical patent/WO2019021559A1/ja

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
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    • G—PHYSICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
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    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
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    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA

Definitions

  • the present invention relates to a laser beam irradiation apparatus and a laser beam irradiation system, and in particular, a laser beam irradiation apparatus and laser beam irradiation configured to irradiate a target with a high-power laser beam obtained by combining a plurality of laser beams. About the system.
  • One of the techniques for obtaining a high power laser beam is a technique for combining a plurality of laser beams generated separately.
  • the method of combining a plurality of laser beams can be roughly classified into two.
  • the first method is a method of combining a plurality of laser beams on a target.
  • multiple laser beams are emitted from the different positions at slightly different angles to illuminate the target and are focused to the same point set on the target.
  • the number of laser beams is in a trade-off relationship with the beam diameter of each laser beam and the physical size of the irradiator. Higher power can be obtained by increasing the number of emitted laser beams, while keeping the beam diameter the physical size of the irradiator (for example, a lens barrel that accommodates the optical system (lens barrel The diameter of) increases and the weight increases.
  • the increase in weight of the irradiation device may increase the manufacturing cost and may cause problems in designing the mechanical drive mechanism of the irradiation device (e.g., the drive mechanism of the lens barrel).
  • increasing the number of laser beams emitted while maintaining the physical size of the irradiator reduces the beam diameter of each laser beam, which leads to a reduction in the ability to collect light, i.e. It causes the problem of an increase in focal spot diameter.
  • the second method is a method of combining a plurality of laser beams inside the irradiation apparatus.
  • the diameter of each laser beam can be made as large as the diameter of the lens barrel.
  • Spectral coupling is known as a method of coupling a plurality of laser beams inside an irradiation apparatus.
  • Spectral coupling is a technique of combining a plurality of laser beams using a diffractive optical element such as a diffraction grating.
  • a series of laser beams with slightly different emission angles are generated by entering laser beams with slightly different central wavelengths into a diffractive optical element having wavelength dependency on the reflection angle and refraction angle, and further, the emission angles of The difference is used to coaxially couple the series of laser beams in the exit optics.
  • a technique for obtaining a high power laser beam by spectral coupling is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-72955.
  • One of the problems of spectral coupling is that diffractive optical elements used for spectral coupling are generally difficult to scale up while maintaining high laser power. This means that the number of laser beams and the output are limited. In addition, in order to increase the number of laser beams, it is necessary to narrow the line width of each laser beam sufficiently, which is generally in a trade-off relationship with high power.
  • an object of the present invention is to provide a technique for combining a plurality of laser beams to obtain a high-power combined laser beam.
  • the laser beam irradiation apparatus has a plurality of laser light sources each emitting a first laser beam, and an incident surface on which the first laser beam is incident, to the incident first laser beam. And a focusing optical system for performing an optical operation to emit a second laser beam corresponding to each of the first laser beams.
  • the plurality of laser light sources are configured to emit the first laser beam from different positions so that the beam diameter of the first laser beam spreads toward the incident surface of the focusing optical system.
  • Each of the first laser beams emitted by the plurality of laser light sources overlaps at least one other laser beam of the first laser beams emitted by the plurality of laser light sources on the incident surface of the focusing optical system.
  • the condensing optical system is a beam of the second laser beam on a target plane which is a plane set to be perpendicular to the optical axis of the condensing optical system for all the second laser beams emitted from the condensing optical system.
  • the diameter is minimized and the distance from the center of the second laser beam at the target surface to the optical axis is less than the radius of the beam at half the beam diameter at the target surface of each of the second laser beams. It is configured to be small.
  • Each of the first laser beams emitted by the plurality of laser light sources preferably overlaps all other laser beams of the first laser beam emitted by the plurality of laser light sources on the incident surface of the focusing optical system.
  • each of the plurality of laser light sources is provided with a phase control device that controls the phase of the first laser beam emitted by each.
  • the phase control device may control the phase of the first laser beam such that the phase of the second laser beam at the exit surface of the focusing optical system is the same.
  • the laser beam irradiation apparatus may further include a beam shaping optical system that shapes the shape of the wavefront of the first laser beam.
  • the laser beam irradiation device when each of the plurality of laser light sources includes a phase control device that controls the phase of the first laser beam emitted by each of the plurality of laser light sources, the laser beam irradiation device includes a plurality of first laser beams emitted from the plurality of laser light sources.
  • a plurality of beam shaping optical systems for shaping the shape of the wavefront of one laser beam may be provided.
  • each of the plurality of laser light sources comprises an optical fiber for emitting the first laser beam from one end
  • the laser beam irradiator may further comprise coupling optics.
  • the coupling optical element is joined to the optical fibers of the plurality of laser light sources, and configured to guide the first laser beam emitted from the optical fibers to the incident surface of the condensing optical system.
  • the laser beam irradiator comprises a plurality of laser light sources, each emitting a first laser beam, and an incident surface on which the first laser beam is incident, for the incident first laser beam.
  • Optical operation is performed to provide collimating optical systems respectively corresponding to the first laser beam and emitting a plurality of second laser beams that are parallel light.
  • the plurality of laser light sources are configured to emit the first laser beam from different positions so that the beam diameter of the first laser beam spreads toward the incident surface of the collimating optical system.
  • Each of the first laser beams emitted by the plurality of laser light sources overlaps at least one other laser beam of the first laser beams emitted by the plurality of laser light sources on the incident surface of the collimating optical system.
  • the collimating optical system has a distance from the center of each of the plurality of second laser beams to the optical axis of the collimating optical system smaller than a beam radius which is half the diameter of each of the plurality of second laser beams. It is configured to be
  • the laser beam irradiation apparatus further includes a plurality of second laser beams emitted from the collimating optical system, and performs laser amplification on the plurality of second laser beams to generate a laser beam after amplification. May be included. Such an arrangement is particularly useful when each of the plurality of laser light sources comprises a fiber laser.
  • a laser beam delivery system comprises a plurality of laser beam delivery devices and focusing optics.
  • Each of the plurality of laser beam irradiation devices has a plurality of laser light sources each emitting a first laser beam, and an incident surface on which the first laser beam is incident, and is optical with respect to the incident first laser beam An operation is performed, and collimated optical systems corresponding to the first laser beams and emitting a plurality of second laser beams which are parallel lights are provided.
  • the plurality of laser light sources are configured to emit the first laser beam from different positions so that the beam diameter of the first laser beam spreads toward the incident surface of the collimating optical system.
  • the collimating optical system has a distance from the center of each of the plurality of second laser beams to the optical axis of the collimating optical system smaller than a beam radius which is half the diameter of each of the plurality of second laser beams. It is configured to be A combined beam composed of a plurality of second laser beams emitted from each of the plurality of laser beam irradiation devices is incident on the incident surface of the focusing optical system.
  • the focusing optical system is configured to optically manipulate the incident combined beam to emit a third laser beam corresponding to each of the combined beam.
  • the condensing optical system is a beam of the third laser beam on a target plane which is a plane set to be perpendicular to the optical axis of the condensing optical system for all the third laser beams emitted from the condensing optical system.
  • the diameter is minimized and the distance from the center of the third laser beam to the optical axis in the plane is smaller than the beam radius which is half the beam diameter at the respective target planes of the third laser beam Is configured as.
  • a laser beam delivery system comprises a plurality of laser beam delivery devices and first collimating optics.
  • Each of the plurality of laser beam irradiation devices has a plurality of laser light sources each emitting a first laser beam, and an incident surface on which the first laser beam is incident, and is optical with respect to the incident first laser beam An operation is performed, and a second collimating optical system corresponding to each of the first laser beams and emitting a plurality of parallel second laser beams is provided.
  • the plurality of laser light sources are configured to emit the first laser beam from different positions so that the beam diameter of the first laser beam expands toward the incident surface of the second collimating optical system.
  • the second collimating optical system is a beam whose distance from the center of each of the plurality of second laser beams to the optical axis of the second collimating optical system is a half of the diameter of each of the plurality of second laser beams. It is configured to be smaller than the radius.
  • a combined beam composed of a plurality of second laser beams emitted from each of the plurality of laser beam irradiation devices is incident on the incident surface of the first collimating optical system.
  • the first collimating optical system is configured to perform an optical operation on the combined beam to emit a third laser beam corresponding to the combined beam and being parallel light.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually showing the configuration of the laser beam irradiation apparatus of the first embodiment.
  • FIG. 2A shows the beam shape of a laser beam generated by a focusing optical system from a laser beam emitted from a laser light source.
  • FIG. 2B shows the beam shape of the laser beam generated by the focusing optical system from the laser beam emitted from the laser light source.
  • FIG. 2C shows the beam shape of the laser beam generated by the focusing optical system from the laser beam emitted from the laser light source.
  • FIG. 3 is a figure which shows notionally the structure of the laser beam irradiation apparatus of 2nd Embodiment.
  • FIG. 4 is a figure which shows notionally the structure of the laser beam irradiation apparatus of 3rd Embodiment.
  • FIG. 5 is a figure which shows notionally the structure of the modification of the laser beam irradiation apparatus of 3rd Embodiment.
  • FIG. 6 is a view conceptually showing the configuration of another modification of the laser beam irradiation apparatus of the third embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram conceptually showing the configuration of the laser beam irradiation apparatus of the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a view conceptually showing the configuration of a modification of the laser beam irradiation apparatus of the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram conceptually showing the configuration of the laser beam irradiation apparatus of the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a view showing an example of the intensity distribution of each laser beam on the exit surface of the collimating optical system in the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a view showing an example of the intensity distribution of each laser beam on the exit surface of the collimating optical system in the fifth embodiment.
  • FIG. 11A is a laser beam irradiation system in which a plurality of laser beam irradiation devices according to the fifth embodiment are provided, and a combined laser beam generated by each of the laser beam irradiation devices is further coupled using a condensing optical system.
  • FIG. 11B shows a laser beam irradiation system in which a plurality of laser beam irradiation devices according to the fifth embodiment are provided, and a combined laser beam generated by each of the laser beam irradiation devices is further coupled using collimating optics. It is a figure which shows a structure notionally.
  • FIG. 12 is a diagram conceptually showing the configuration of the laser beam irradiation apparatus of the sixth embodiment.
  • FIG. 1 is a figure which shows notionally the structure of the laser beam irradiation apparatus 100 of 1st Embodiment.
  • the laser beam irradiation apparatus 100 includes a plurality of laser light sources 10 and a focusing optical system 20.
  • the laser light source 10 and the focusing optical system 20 are accommodated in a lens barrel 30.
  • subscripts are attached when the plurality of laser light sources 10 are distinguished.
  • Three laser light sources 10 1 to 10 3 are shown in FIG. However, the number of laser light sources 10 is not limited to three, and more laser light sources 10 may be provided.
  • each of the laser light sources 10 emits a laser beam 11.
  • each of the laser light sources 10 includes the laser device 12 and the optical fiber 13.
  • a laser beam generated by the laser device 12 is incident on one end of the optical fiber 13 and emitted as a laser beam 11 from the other end.
  • the laser beams 11 emitted from the laser light sources 10 1 to 10 3 may be described as laser beams 11 1 to 11 3 , respectively.
  • the laser light source 10 emits the laser beam 11 from different positions in the Y-axis direction.
  • the laser beam 11 emitted from the laser light source 10 is incident on the incident surface 20 a of the condensing optical system 20.
  • the condensing optical system 20 performs an optical operation on the laser beam 11 incident on the incident surface 20a to generate a laser beam 21, and emits the generated laser beam 21 from the emission surface 20b.
  • the optical operation performed by the condensing optical system 20 includes an operation of condensing each laser beam 21.
  • a laser beam 21 emitted from the laser beam 11 1-11 is generated from the 3 exit surface 20b, respectively, may be described as the laser beam 21 1-21 3.
  • the condensing optical system 20 is disposed so that the optical axis 22 thereof is parallel to the Z-axis direction.
  • the laser beam 21 emitted from the emission surface 20b of the condensing optical system 20 is superimposed and irradiated on a desired target.
  • each of the laser light sources 10 is configured to emit the laser beam 11 so that the beam diameter of the laser beam 11 expands toward the incident surface 20 a of the focusing optical system 20.
  • the laser beam is naturally emitted so as to have a spread angle.
  • the beam diameter of the laser beam 11 emitted from the optical fiber 13 may be expanded toward the incident surface 20 a of the focusing optical system 20.
  • an optical element such as a lens may be bonded to the optical fiber 13, whereby the beam diameter of the laser beam 11 emitted from the optical fiber 13 may be expanded toward the incident surface 20 a of the condensing optical system 20.
  • the laser light source 10 is disposed such that the laser beam 11 emitted from each laser light source 10 overlaps at least one laser beam 11 of the laser beams 11 emitted from the other laser light sources 10 at the incident surface 20a. Be done.
  • Such a configuration is useful to generate a high power synthetic laser beam while suppressing the increase in the physical size of the laser beam irradiator 100.
  • the laser light sources 10 emitted from the respective laser light sources 10 emit the other laser light sources 10 at the incident surface 20 a. It is preferably arranged to overlap all of the laser beam 11.
  • the condensing optical system 20 is configured as follows. First, when the laser beam 11 having a beam shape having a circular symmetry with respect to the optical axis 22 is incident on the incident surface 20a, the condensing optical system 20 is generated from the laser beam 11 and is emitted to the emission surface 20b.
  • the beam shape of the laser beam 21 emitted from the light source 22 is configured to be circularly symmetrical with respect to the optical axis 22.
  • any laser beam 21 emitted from the exit surface 20b is a beam at the target surface 40, which is a plane set to be perpendicular to the optical axis 22 of the focusing optical system 20.
  • the diameter (spot diameter) is configured to be minimum.
  • the target surface 40 is parallel to the XY plane.
  • the focusing optical system 20 is configured to focus each laser beam 21 on the target surface 40.
  • the condensing optical system 20 may be configured such that the position of the target surface 40 is variable in the direction parallel to the optical axis 22.
  • the focusing optical system 20 has a distance from the center of each laser beam 21 at the target surface 40 to the optical axis 22 to be half of the beam diameter at the target surface 40 of each laser beam 21. It is configured to be smaller than the beam radius which is 1.
  • the beam diameter at the target surface 40 is defined as D86 width (diameter of a circle including 86% of beam power centered on the center of gravity of the beam profile).
  • the position of the center of each laser beam 21 on the target surface 40 is defined as the position of the center of gravity of the beam profile of each laser beam 21 on the target surface 40.
  • FIGS. 2A to 2C are diagrams showing beam shapes of the respective laser beams 21 in the present embodiment.
  • Figure 2A shows a laser beam 21 first beam shape generated by the condensing optical system 20 from the laser beam 11 1 emitted from the laser light source 10 1.
  • the laser beam 21 1 the beam diameter is minimized at the target surface 40.
  • the distance d 1 between the laser beam 21 1 of the center 23 1 and the optical axis 22 in the target surface 40, the laser beam 21 1 at the target surface 40 the beam radius r 1 i.e., the laser beam 21 1 in the target surface 40 Smaller than half the beam diameter. That is, the following formula (1): d 1 ⁇ r 1 (1) Is established.
  • Laser beam 11 2 emitted from the laser light source 10 because it has circular symmetry beam shape with respect to the optical axis 22 of the focusing optical system 20, laser beam 21 emitted from the converging optical system 20 2 also have a beam shape that is circularly symmetric with respect to the optical axis 22.
  • the laser beam 21 2 As shown in FIG. 2B, the laser beam 21 2, like the laser beam 21 1, the beam diameter is minimized at the target surface 40.
  • the center 23 2 of the laser beam 21 2 in the target surface 40 is located on the optical axis 22, the distance d 2 between the center 23 2 and the optical axis 22 of the laser beam 21 2 is zero.
  • laser beam 21 2 (2) d 2 ⁇ r 2 (2) Is established.
  • r 2 is a laser beam 21 and second beam radius at the target plane 40 (i.e., one-half of the beam diameter of the laser beam 21 2 in the target surface 40).
  • Figure 2C shows a laser beam 21 3 beam shape generated by the condensing optical system 20 from the laser beam 11 3 emitted from the laser light source 10 3.
  • the laser beam 21 3 the beam diameter is minimized at the target surface 40.
  • the distance d 3 between the center 23 3 and the optical axis 22 of the laser beam 21 3 at the target surface 40, the laser beam 21 3 at the target surface 40 the beam radius r 3 i.e., the laser beam 21 3 in the target surface 40 Smaller than half the beam diameter. That is, the following equation (3): d 3 ⁇ r 3 (3) Is established.
  • each laser beam 21 For each laser beam 21, the condition that the distance from the center of each laser beam 21 at the target surface 40 to the optical axis 22 is smaller than the beam radius at the target surface 40 maintains the coupling of the laser beam 21 at the target surface 40. belongs to.
  • the positions of the beam centers on the target surface 40 of the laser beam 21 emitted from the emission surface 20b may be different from each other.
  • each laser beam 21 is another laser beam at the target plane 40 Overlapping all 21 and beam combination is maintained.
  • the laser light source 10 emits at least one of the laser beams 11 emitted from the other laser light sources 10 at the incident surface 20 a. It is arranged to overlap the laser beam 11. This makes it possible to generate a high-power combined laser beam while suppressing an increase in the physical size of the laser beam irradiation apparatus 100.
  • the number of laser beams 11 is three or more, the laser beams 11 emitted from the respective laser light sources 10 are incident on the incident surface 20 a from the viewpoint of suppression of increase in physical size and generation of a high output combined laser beam.
  • all other laser light sources 10 overlap the laser beam 11 emitted.
  • each of the laser light sources 10 emits the laser beam 11 so that the beam diameter of the laser beam 11 spreads toward the incident surface 20 a of the condensing optical system 20 Is configured. For this reason, the beam diameter of each laser beam 21 in the output surface 20b of the condensing optical system 20 is large. This means that the focused spot diameter on the target surface 40 of each laser beam 21 can be reduced. This is effective in improving the light collecting ability.
  • the combination of laser beams can be realized without using a special optical element such as a diffractive optical element.
  • the laser beam irradiation apparatus 100 according to the present embodiment generates a high-power synthetic laser beam while achieving suppression of an increase in physical size and improvement of a light collecting ability without using a special optical element. Can.
  • FIG. 3 is a figure which shows notionally the structure of 100 A of laser beam irradiation apparatuses of 2nd Embodiment.
  • the laser beam irradiation apparatus 100A of the second embodiment has a configuration similar to that of the laser beam irradiation apparatus 100 of the first embodiment, but each of the laser light sources 10 has the phase of the laser beam 11 emitted from each of them.
  • the laser beam irradiation apparatus 100 is different from the laser beam irradiation apparatus 100 according to the first embodiment in that a phase control device 14 to control is provided. In the present embodiment, the phase control device 14 is inserted into the optical fiber 13 of each laser light source 10.
  • the phase control device 14 controls the phase of the laser beam 11 incident on the focusing optical system 20, whereby the laser beam 21 emitted from the focusing optical system 20.
  • the shape of the wave front of can be controlled to the shape optimal for propagation. This is effective in improving the light collecting ability.
  • the phase of the laser beam 11 emitted from the laser light source 10 by the phase control device 14, the phase of the laser beam 21 at the emission surface 20 b of the focusing optical system 20 may be matched. Thereby, aperture synthesis can be realized, and the light collecting ability can be improved.
  • FIG. 4 is a figure which shows notionally the structure of laser beam irradiation apparatus 100B of 3rd Embodiment.
  • the laser beam irradiation apparatus 100B of the third embodiment has a configuration similar to that of the laser beam irradiation apparatus 100 of the first embodiment, but the shape of the wavefront of the laser beam 11 emitted from each of the laser light sources 10 is shaped It differs from the laser beam irradiation apparatus 100 of the first embodiment in that the beam shaping optical system 15 is provided.
  • the beam shaping optical system 15 is connected to an output end of the optical fiber 13 of each of the laser light sources 10 from which the laser beam 11 is emitted.
  • the beam shaping optical system 15 for example, a concave lens, a convex lens or another optical element may be used.
  • the shape of the wavefront of the laser beam 11 emitted from each of the laser light sources 10 is shaped by the beam shaping optical system 15, whereby the wavefront of the laser beam 21 emitted from the condensing optical system 20 is formed.
  • the shape can be controlled to an optimal shape for propagation. This is effective in improving the light collecting ability.
  • FIG. 4 shows a configuration in which each of the laser light sources 10 is provided with the beam shaping optical system 15, common beam shaping for a plurality of laser light sources 10 as shown in FIG.
  • An optical system 16 may be provided.
  • the beam shaping optical system 16 shapes the shape of the wavefront of the laser beam 11 emitted from each of the laser light sources 10, thereby propagating the shape of the wavefront of the laser beam 21 emitted from the condensing optical system 20. Control to the optimal shape.
  • the beam shaping optical system 15 may be provided to the laser beam irradiation apparatus 100B of the second embodiment provided with the phase control device.
  • the phase since the phase is controlled with respect to each of the laser beams 11 incident on the respective beam shaping optical systems 15, the light is emitted from the condensing optical system 20 while simplifying the configuration of the beam shaping optical system 15.
  • the shape of the wavefront of the laser beam 21 can be controlled to a shape optimal for propagation.
  • FIG. 7 is a figure which shows notionally the structure of 100 C of laser beam irradiation apparatuses of 4th Embodiment.
  • the laser beam irradiation apparatus 100C according to the fourth embodiment has a configuration similar to that of the laser beam irradiation apparatus 100 according to the first embodiment, but the laser light source 10 and the incident surface 20a of the focusing optical system 20 are combined optics. It differs from the laser beam irradiation apparatus 100 of the first embodiment in that it is coupled by an element 17.
  • the coupling optical element 17 is joined to the output end of the optical fiber 13 of each laser light source 10 from which the laser beam 11 is emitted.
  • the coupling optical element 17 for example, a taper lens is exemplified.
  • the coupling optics 17 may be bonded to the optical fiber 13 by fusion bonding.
  • the coupling optical element 17 is configured to guide the laser beam 11 emitted from the optical fiber 13 of each laser light source 10 to the incident surface 20 a of the focusing optical system 20.
  • the coupling optical element 17 is coupled to the output end of the optical fiber 13, whereby the alignment of the optical fiber 13 can be facilitated.
  • the coupling optical element 17 may have a function of shaping the shape of the wavefront of the laser beam 11 emitted from each of the laser light sources 10. This is useful for controlling the shape of the wavefront of the laser beam 21 emitted from the focusing optical system 20 to a shape optimum for propagation.
  • each of the laser light sources 10 may be provided with a phase control device 14 that controls the phase of the laser beam 11 emitted from each of the laser light sources 10.
  • a phase control device 14 that controls the phase of the laser beam 11 emitted from each of the laser light sources 10.
  • FIG. 9 is a diagram conceptually showing the configuration of the laser beam irradiation apparatus 100D of the fifth embodiment.
  • the condensing optical system 20 is used, but in the fifth embodiment, collimated optics that generates a laser beam 51 that is a parallel light from each laser beam 11 instead of the condensing optical system 20 System 50 is used.
  • the laser light source 10 and the collimating optical system 50 are accommodated in a lens barrel 30.
  • the configuration of the laser beam irradiation apparatus 100D of the present embodiment will be described in detail.
  • Each of the laser light sources 10 emits a laser beam 11.
  • the laser beam 11 emitted from the laser light source 10 is incident on the incident surface 50 a of the collimating optical system 50.
  • each of the laser light sources 10 is configured to emit the laser beam 11 so that the beam diameter of the laser beam 11 expands toward the incident surface 50 a of the collimating optical system 50.
  • the laser light source 10 is such that the laser beam 11 emitted from each laser light source 10 overlaps at least one laser beam 11 of the laser beams 11 emitted from the other laser light sources 10 at the incident surface 50a. Will be placed.
  • Such a configuration is useful to generate a high power synthetic laser beam while suppressing the increase in the physical size of the laser beam irradiation apparatus 100D.
  • the laser light sources 10 when the number of the laser light sources 10 is three or more, the laser light sources 10 emit the laser beams 11 emitted from the respective laser light sources 10 at the incident surface 50a. Preferably, they are arranged so as to overlap all of the eleven.
  • the collimating optical system 50 performs a predetermined optical operation on the laser beam 11 incident on the incident surface 50a to generate the laser beam 51, and emits the generated laser beam 51 from the emission surface 50b.
  • the collimating optical system 50 is configured such that each laser beam 51 emitted from the emission surface 50 b is parallel light.
  • the collimating optical system 50 is generated from the laser beam 11 and emitted from the emission surface 50b
  • the beam shape of the laser beam 51 is circularly symmetrical with respect to the optical axis 52.
  • a laser beam 51 emitted from the laser beam 11 1-11 is generated from the 3 exit surface 50b, respectively, may be described as a laser beam 51 1-51 3.
  • the collimating optical system 50 is disposed such that the optical axis 52 is parallel to the Z-axis direction.
  • the laser beams 51 emitted from the emission surface 50b of the collimating optical system 50 are irradiated on a desired target while overlapping each other. That is, the laser beams 51 emitted from the output surface 50b of the collimating optical system 50 are combined to form a combined beam 53 to be irradiated to the target.
  • FIG. 10 is a view showing an example of the intensity distribution of each laser beam on the emission surface 50b of the collimating optical system 50 in the fifth embodiment.
  • the intensity distribution of the combined laser beam obtained by combining the laser beams 51 on the emission surface 50 b is the sum of the intensity distributions of the respective laser beams 51.
  • the laser beam 11 incident on the incident surface 50a is a Gaussian beam and hence the laser beam 51 emitted from the emission surface 50b is a Gaussian beam
  • the intensity distribution of the combined laser beam has a Gaussian distribution with a slightly broadened skirt become.
  • the laser beam 51 is propagated along the optical axis 52 while maintaining the intensity distribution of each laser beam 51 on the emission surface 50b.
  • the distance between the center of the laser beam 51 and the optical axis 52 of each of the laser light source 10 and the collimating optical system 50 for each of the laser beams 51 emitted from the emission surface 50 b is each laser It is arranged to be smaller than the beam radius which is a half of the beam diameter (that is, the spot diameter) of the beam 51.
  • the beam diameter is defined as D86 width (diameter of a circle including 86% of beam power centering on the center of gravity of beam profile), and the center of each laser beam 51 is defined.
  • the position is defined as the position of the center of gravity of the beam profile of each laser beam 51 in a plane perpendicular to the optical axis 52.
  • each laser beam 51 overlaps the other laser beam 51 and beam combination is maintained.
  • FIG. 9 shows a configuration in which the focusing optical system 20 of the laser beam irradiation apparatus 100 according to the first embodiment is replaced with a collimating optical system 50, the laser beams according to the second to fourth embodiments are illustrated.
  • the condensing optical system 20 of the irradiation devices 100A to 100C may be replaced by a collimating optical system 50.
  • FIG. 11A is a diagram conceptually showing an example of the configuration of the laser beam irradiation system 200A having such a configuration.
  • the laser beam irradiation system 200A illustrated in FIG. 11A includes two laser beam irradiation devices 100D.
  • two laser beam irradiation devices 100D thereinafter, in order to distinguish the two laser beam irradiation device 100D together, one of the laser beam irradiation apparatus 100D is described as the laser beam irradiation apparatus 100D 1, the other laser beam irradiation apparatus 100D and a laser beam irradiation device 100D 2 May be described.
  • Each of the two laser beam irradiation devices 100D emits a combined beam 53 from the collimating optical system 50.
  • the collimating optics 50 of the laser beam irradiation apparatus 100D 1 describes a collimating optical system 50 1, it may be described a combined beam 53 emitted from the collimating optical system 50 1 and a synthetic beam 53 1.
  • the collimating optics 50 of the laser beam irradiation apparatus 100D 2 describes the collimating optical system 50 2, it may be described a combined beam 53 emitted from the collimating optical system 50 2 and the combined beam 53 2.
  • the combined beams 53 1 and 53 2 emitted from the laser beam irradiation devices 100 D 1 and 100 D 2 are combined by the beam shaping optical element 54 and the focusing optical system 60.
  • the beam shaping optics 54 shapes the combined beam 53 1, 53 2 of the wavefront shape emitted from each of the laser beam irradiation apparatus 100D 1, 100D 2.
  • the combined beams 53 1 and 53 2 emitted from the beam shaping optical element 54 are incident on the incident surface 60 a of the condensing optical system 60.
  • the beam shaping optical element 54 is configured such that the beam diameter of the combined beam 53 1 53 2 emitted from the beam shaping optical element 54 increases toward the incident surface 60 a.
  • Condensing optical system 60 generates a laser beam 61 1, 61 2 performs optical operation on the combined beam 53 1, 53 2 which are incident on the incident surface 60a, generated laser beam 61 1, 61 2 Are emitted from the exit surface 60b.
  • optical operations performed by the condensing optical system 20 includes an operation for converging the respective laser beams 61 1, 61 2.
  • the condensing optical system 60 is disposed such that the optical axis 62 is parallel to the Z-axis direction. Laser beam 61 emitted from the emission surface 60b of the light condensing optical system 60 1, 61 2 is irradiated superimposed on the desired target.
  • the target plane is a plane defined to be perpendicular to the optical axis 62 of the focusing optical system 60, and in the present embodiment, the target plane is parallel to the XY plane.
  • the target surface is defined so as to pass through the target.
  • the focusing optical system 60 has a beam diameter (i.e., a diameter) at the target plane, which is a plane set so that both of the laser beams 61 1 and 61 2 are perpendicular to the optical axis 62 of the focusing optical system 60. spot diameter) is minimized, and the distance from the laser beam 61 1, 61 2 of the center of the target surface to the optical axis 62, the beam diameter at each laser beam 61 1, 61 2 of the target surface It is configured to be smaller than a half of the beam radius. As described in the first embodiment, such a configuration, the binding of the laser beam 61 1, 61 2 in the target surface is maintained.
  • a beam diameter i.e., a diameter
  • the laser beam delivery system 200A of the configuration of FIG. 11A can combine multiple laser beams while maintaining focusing capability and can easily generate high power composite laser beams.
  • FIG. 11B is a diagram schematically showing an example of the configuration of the laser beam irradiation system 200B having such a configuration.
  • the laser beam irradiation system 200B illustrated in FIG. 11B has a configuration similar to that of the laser beam irradiation system 200A illustrated in FIG. 11A, but a collimating optical system 70 is provided instead of the condensing optical system 60. There is a difference in points.
  • the combined beams 53 1 and 53 2 emitted from the beam shaping optical element 54 are incident on the incident surface 70 a of the collimating optical system 70.
  • the beam shaping optical element 54 is configured such that the beam diameter of the combined beam 53 1 53 2 emitted from the beam shaping optical element 54 increases toward the incident surface 70 a.
  • the collimating optical system 70 generates laser beams 71 1 and 71 2 which are parallel light beams from the combined beams 53 1 and 53 2 incident on the incident surface 70 a, and generates the generated laser beams 71 1 and 71 2 from the emission surface 70 b. I will emit.
  • the collimating optical system 70 is disposed such that the optical axis 72 thereof is parallel to the Z-axis direction.
  • the laser beams 71 1 and 71 2 emitted from the emission surface 70 b of the collimating optical system 70 are irradiated on a desired target while overlapping each other.
  • the laser beams 71 1 and 71 2 emitted from the emission surface 70 b of the collimating optical system 70 are synthesized to form a synthesized beam to be irradiated to the target.
  • a laser beam irradiation apparatus 100D, a beam shaping optical element 54, the collimating optical system 70, for each of the laser beams 71 1, 71 2 which is emitted from the emission surface 70b, the light from the center of the laser beam 71 1, 71 2 distance to the shaft 72, the laser beams 71 1, 71 2 of the beam diameter (i.e., spot diameter) are arranged to be smaller than the beam radius is one-half of.
  • the laser beam delivery system 200B of the configuration of FIG. 11B can combine multiple laser beams to easily generate a combined laser beam with high power and beam diameter.
  • FIG. 12 is a diagram conceptually showing the configuration of the laser beam irradiation apparatus 100E of the sixth embodiment.
  • the laser beam irradiation apparatus 100E of the sixth embodiment has a configuration similar to that of the laser beam irradiation apparatus 100D (see FIG. 9) of the fifth embodiment, but additionally includes a solid-state laser amplifier 80. It differs in the point.
  • the solid-state laser amplifier 80 performs laser amplification on the laser beam 51 emitted from the emission surface 50 b of the collimating optical system 50 to generate an amplified laser beam 81.
  • the configuration of the laser beam irradiation apparatus 100E of the sixth embodiment is suitable for generating a high output laser beam while suppressing the number of laser light sources 10 included in the laser beam irradiation apparatus 100E.
  • the laser beam irradiation apparatus 100E of the present embodiment is particularly effective when using a fiber laser as the laser device 12 of the laser light source 10, in particular, a fiber laser that generates pulse light or generates laser light with a narrow line width. It is. Fiber lasers are more efficient in the low power region compared to solid state lasers, while the maximum allowed pulse energy is small. On the other hand, solid-state lasers have a large maximum allowable pulse energy. In addition, although the fiber laser has a narrow line width, the non-linear effect appears remarkably and the upper limit of the output decreases, but the solid-state laser hardly exhibits the non-linear effect, and both a narrow line width and a high output are possible.
  • a configuration in which laser light generated by the fiber laser is amplified by the solid laser is preferable.
  • the laser beam irradiation apparatus 100E of the present embodiment by using a fiber laser as the laser device 12 of the laser light source 10, a plurality of laser beams generated by the fiber laser are combined and further amplified by the solid laser amplifier 80. realizable.

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Abstract

レーザービーム照射装置が、それぞれが第１レーザービームを出射する複数のレーザー光源と、第１レーザービームが入射される入射面を有し、第１レーザービームにそれぞれに対応する第２レーザービームを出射する集光光学系とを具備する。複数のレーザー光源は、第１レーザービームのビーム径が該入射面に向けて広がるように第１レーザービームを出射するように構成されている。第１レーザービームのそれぞれは、集光光学系の入射面において、他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っている。集光光学系は、第２レーザービームのいずれについても、ビーム径が目標面において最小になり、且つ、該目標面における第２レーザービームの中心から光軸までの距離が、第２レーザービームのそれぞれのビーム半径よりも小さくなるように構成されている。複数のレーザービームを結合して高出力の合成レーザービームを得る。

Description

レーザービーム照射装置及びレーザービーム照射システム
　本発明は、レーザービーム照射装置及びレーザービーム照射システムに関し、特に、複数のレーザービームを結合して得られる高出力のレーザービームを目標に照射するように構成されたレーザービーム照射装置及びレーザービーム照射システムに関する。
　高出力のレーザービームを得る手法の一つは、別々に発生された複数のレーザービームを結合する手法である。複数のレーザービームを結合する手法は、概略的には、２つに分類することができる。
　第１手法は、複数のレーザービームを目標上で結合する手法である。この手法においては、複数のレーザービームが、別々の位置から僅かに異なる角度で出射されて目標に照射され、目標の上に設定された同一点に集光される。この手法を採用する場合、レーザービームの数が、各レーザービームのビーム径（beam diameter）及び照射装置の物理的なサイズに対してトレードオフの関係にある。出射されるレーザービームの数を増大させると高出力を得ることができるが、その一方で、ビーム径を保ったままだと照射装置の物理的サイズ（例えば、光学系を収容する鏡筒(lens barrel)の径）が増大し、重量が増大する。照射装置の重量の増大は、製造コストを増加させ、更に、照射装置の機械的駆動機構（例えば、鏡筒の駆動機構）の設計を困難にするという問題を生じさせ得る。一方で、照射装置の物理的サイズを維持しながら出射されるレーザービームの数を増大させると、各レーザービームのビーム径が小さくなり、これは、集光能力の低下、即ち、目標における集光スポット径（focal spot diameter）の増大という問題を生じさせる。
　第２手法は、複数のレーザービームを照射装置の内部で結合させる手法である。この手法においては、全てのレーザービームが鏡筒から同軸で出射されるので、各レーザービームの径を鏡筒の径と同じ程度まで大きくできる。
　複数のレーザービームを照射装置の内部で結合させる手法としては、スペクトル結合が知られている。スペクトル結合とは、回折格子等の回折光学素子を用いて複数のレーザービームを結合する技術である。反射角や屈折角に波長依存性を有する回折光学素子に、中心波長が僅かに異なるレーザービームを入射することで出射角がわずかに相違する一連のレーザービームが生成され、更に、その出射角の相違を利用して出射光学系において当該一連のレーザービームが同軸に結合される。スペクトル結合により高出力のレーザービームを得る技術は、例えば、特開２０１５－７２９５５号公報に開示されている。
　スペクトル結合の問題の一つは、スペクトル結合に用いられる回折光学素子は、一般に、高いレーザー耐力を保ったまま大型化することが困難であるということである。これは、レーザービームの本数と出力に制約があることを意味している。加えて、レーザービームの数を増大するためには各レーザービームの線幅を十分に狭くする必要があり、これは、一般には、高出力とは相反する関係にある。
　以上に議論されているように、複数のレーザービームを結合して高出力の合成レーザービームを得る技術には、改良の余地がある。
特開２０１５－７２９５５号公報
　したがって、本発明の課題は、複数のレーザービームを結合して高出力の合成レーザービームを得る技術を提供することにある。本発明の他の目的及び新規な特徴は、以下の開示から当業者には理解されるであろう。
　本発明の一実施形態では、レーザービーム照射装置が、それぞれが第１レーザービームを出射する複数のレーザー光源と、第１レーザービームが入射される入射面を有し、入射した第１レーザービームに対して光学的操作を行って第１レーザービームにそれぞれに対応する第２レーザービームを出射する集光光学系とを具備する。複数のレーザー光源は、第１レーザービームのビーム径が集光光学系の入射面に向けて広がるように、互いに異なる位置から第１レーザービームを出射するように構成されている。複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームのそれぞれは、集光光学系の入射面において、複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っている。
　集光光学系は、集光光学系から出射された第２レーザービームの全てについて、集光光学系の光軸に垂直であるように設定された平面である目標面において第２レーザービームのビーム径が最小になり、且つ、該目標面における第２レーザービームの中心から光軸までの距離が、第２レーザービームのそれぞれの該目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。
　複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームのそれぞれは、集光光学系の入射面において、複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームの他のレーザービームの全てに重なり合っていることが好ましい。
　一実施形態では、複数のレーザー光源のそれぞれは、それぞれが出射する第１レーザービームの位相を制御する位相制御装置を備えている。この場合、位相制御装置は、集光光学系の出射面における第２レーザービームの位相が同一であるように、第１レーザービームの位相を制御してもよい。
　一実施形態では、当該レーザービーム照射装置が、更に、第１レーザービームの波面の形状を整形するビーム整形光学系を具備してもよい。また、複数のレーザー光源のそれぞれが、それぞれが出射する第１レーザービームの位相を制御する位相制御装置を備えている場合、当該レーザービーム照射装置は、複数のレーザー光源から出射される複数の第１レーザービームの波面の形状をそれぞれに整形する複数のビーム整形光学系を具備していてもよい。
　一実施形態では、複数のレーザー光源のそれぞれが、第１レーザービームを一端から出射する光ファイバーを備えており、また、当該レーザービーム照射装置が、更に、結合光学素子を具備していてもよい。結合光学素子は、複数のレーザー光源の光ファイバーに接合され、光ファイバーから出射された第１レーザービームを集光光学系の入射面に導くように構成されている。
　他の実施形態では、レーザービーム照射装置が、それぞれが第１レーザービームを出射する複数のレーザー光源と、第１レーザービームが入射される入射面を有し、入射した第１レーザービームに対して光学的操作を行って、第１レーザービームにそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービームを出射するコリメート光学系とを具備する。複数のレーザー光源は、第１レーザービームのビーム径がコリメート光学系の入射面に向けて広がるように、互いに異なる位置から第１レーザービームを出射するように構成されている。複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームのそれぞれは、コリメート光学系の入射面において、複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っている。コリメート光学系は、複数の第２レーザービームのそれぞれの中心からコリメート光学系の光軸までの距離が、複数の第２レーザービームのそれぞれのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。
　当該レーザービーム照射装置は、更に、コリメート光学系から出射される複数の第２レーザービームが入射され、複数の第２レーザービームに対してレーザー増幅を行って増幅後レーザービームを生成する固体レーザー増幅器を具備してもよい。このような構成は、複数のレーザー光源のそれぞれが、ファイバーレーザーを含む場合に特に有用である。
　更に他の実施形態では、レーザービーム照射システムが、複数のレーザービーム照射装置と、集光光学系とを具備する。複数のレーザービーム照射装置のそれぞれは、それぞれが第１レーザービームを出射する複数のレーザー光源と、第１レーザービームが入射される入射面を有し、入射した第１レーザービームに対して光学的操作を行って、第１レーザービームにそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービームを出射するコリメート光学系とを具備する。複数のレーザー光源は、第１レーザービームのビーム径がコリメート光学系の入射面に向けて広がるように、互いに異なる位置から第１レーザービームを出射するように構成されている。複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームのそれぞれは、コリメート光学系の入射面において、複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っている。コリメート光学系は、複数の第２レーザービームのそれぞれの中心からコリメート光学系の光軸までの距離が、複数の第２レーザービームのそれぞれのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。複数のレーザービーム照射装置のそれぞれから出射される複数の第２レーザービームで構成される合成ビームは、集光光学系の入射面に入射される。集光光学系は、入射された合成ビームに対して光学的操作を行って合成ビームにそれぞれに対応する第３レーザービームを出射するように構成されている。集光光学系は、集光光学系から出射された第３レーザービームの全てについて、集光光学系の光軸に垂直であるように設定された平面である目標面において第３レーザービームのビーム径が最小になり、且つ、該平面における第３レーザービームの中心から光軸までの距離が、第３レーザービームのそれぞれの目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。
　更に他の実施形態では、レーザービーム照射システムが、複数のレーザービーム照射装置と、第１コリメート光学系とを具備する。複数のレーザービーム照射装置のそれぞれは、それぞれが第１レーザービームを出射する複数のレーザー光源と、第１レーザービームが入射される入射面を有し、入射した第１レーザービームに対して光学的操作を行って、第１レーザービームにそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービームを出射する第２コリメート光学系とを具備する。複数のレーザー光源は、第１レーザービームのビーム径が第２コリメート光学系の入射面に向けて広がるように、互いに異なる位置から第１レーザービームを出射するように構成されている。複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームのそれぞれは、第２コリメート光学系の入射面において、複数のレーザー光源が出射する第１レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っている。第２コリメート光学系は、複数の第２レーザービームのそれぞれの中心から第２コリメート光学系の光軸までの距離が、複数の第２レーザービームのそれぞれのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。複数のレーザービーム照射装置のそれぞれから出射される複数の第２レーザービームで構成される合成ビームは、第１コリメート光学系の入射面に入射される。第１コリメート光学系は、合成ビームに対して光学的操作を行って、合成ビームにそれぞれに対応し、且つ、平行光である第３レーザービームを出射するように構成されている。
　本発明によれば、複数のレーザービームを結合して高出力の合成レーザービームを得る技術を提供することができる。
図１は、第１実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 図２Ａは、レーザー光源から出射されたレーザービームから集光光学系によって生成されるレーザービームのビーム形状を示している。 図２Ｂは、レーザー光源から出射されたレーザービームから集光光学系によって生成されるレーザービームのビーム形状を示している。 図２Ｃは、レーザー光源から出射されたレーザービームから集光光学系によって生成されるレーザービームのビーム形状を示している。 図３は、第２実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 図４は、第３実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 図５は、第３実施形態のレーザービーム照射装置の変形例の構成を概念的に示す図である。 図６は、第３実施形態のレーザービーム照射装置の他の変形例の構成を概念的に示す図である。 図７は、第４実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 図８は、第４実施形態のレーザービーム照射装置の変形例の構成を概念的に示す図である。 図９は、第５実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 図１０は、第５実施形態における、コリメート光学系の出射面上における各レーザービームの強度分布の一例を示す図である。 図１１Ａは、第５実施形態のレーザービーム照射装置が複数設けられ、それぞれのレーザービーム照射装置によって生成された合成レーザービームが、集光光学系を用いて更に結合される構成のレーザービーム照射システムの構成を概念的に示す図である。 図１１Ｂは、第５実施形態のレーザービーム照射装置が複数設けられ、それぞれのレーザービーム照射装置によって生成された合成レーザービームが、コリメート光学系を用いて更に結合される構成のレーザービーム照射システムの構成を概念的に示す図である。 図１２は、第６の実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。
　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。添付図面において、同一の構成要素は、同一の参照符号で参照される。また、同一の複数の構成要素を互いに区別するために、添字が付されることがある。また、以下の説明においては、方向を規定するために、ＸＹＺ直交座標系が導入される。
［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態のレーザービーム照射装置１００の構成を概念的に示す図である。レーザービーム照射装置１００は、複数のレーザー光源１０と、集光光学系２０とを備えている。レーザー光源１０と集光光学系２０とは、鏡筒３０に収容されている。なお、以下の記載においては、該複数のレーザー光源１０を区別する場合、添字を添付する。図１には、３つのレーザー光源１０１～１０３が図示されている。ただし、レーザー光源１０の数は３に限定されず、より多くのレーザー光源１０が設けられ得る。
　レーザー光源１０のそれぞれは、レーザービーム１１を出射する。詳細には、本実施形態では、レーザー光源１０のそれぞれが、レーザー装置１２と光ファイバー１３とを備えている。レーザー装置１２によって発生されたレーザー光が光ファイバー１３の一端に入射され、他端からレーザービーム１１として出射される。以下では、レーザー光源１０１～１０３から出射されるレーザービーム１１を、それぞれ、レーザービーム１１１～１１３と記載することがある。本実施形態では、レーザー光源１０は、Ｙ軸方向において異なる位置からレーザービーム１１を出射する。レーザー光源１０から出射されたレーザービーム１１は、集光光学系２０の入射面２０ａに入射される。
　集光光学系２０は、入射面２０ａに入射されるレーザービーム１１に対して、光学的操作を行ってレーザービーム２１を生成し、生成したレーザービーム２１を出射面２０ｂから出射する。ここで、集光光学系２０によって行われる光学的操作は、各レーザービーム２１を集光する操作を含んでいる。以下では、レーザービーム１１１～１１３から生成されて出射面２０ｂから出射されるレーザービーム２１を、それぞれ、レーザービーム２１１～２１３と記載することがある。本実施形態では、集光光学系２０は、その光軸２２がＺ軸方向に平行になるように配置されている。集光光学系２０の出射面２０ｂから出射されたレーザービーム２１が、所望の目標に重ねて照射される。
　本実施形態のレーザービーム照射装置１００では、レーザー光源１０のそれぞれが、レーザービーム１１のビーム径が集光光学系２０の入射面２０ａに向けて広がるようにレーザービーム１１を出射するように構成されている。一般に、レーザービームが光ファイバーから出射される場合、該レーザービームは、自然に、拡がり角を有するように出射される。一実施形態では、この現象を利用して、光ファイバー１３から出射されるレーザービーム１１のビーム径が集光光学系２０の入射面２０ａに向けて広げられてもよい。また、光ファイバー１３にレンズ等の光学素子が接合され、これにより、光ファイバー１３から出射されるレーザービーム１１のビーム径が集光光学系２０の入射面２０ａに向けて広げられてもよい。
　加えて、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が入射面２０ａにおいて他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１のうちの少なくとも一のレーザービーム１１に重なり合っているように配置される。このような構成は、レーザービーム照射装置１００の物理的サイズの増大を抑制しながら、高出力の合成レーザービームを生成するために有用である。このような目的の下では、レーザー光源１０の数が３以上である場合には、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が入射面２０ａにおいて他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１の全てに重なり合っているように配置されることが好ましい。
　また、集光光学系２０は、下記のように構成されている。まず、集光光学系２０は、光軸２２に対して円対称（circular symmetry）のビーム形状を有するレーザービーム１１が入射面２０ａに入射された場合、該レーザービーム１１から生成されて出射面２０ｂから出射されるレーザービーム２１のビーム形状が光軸２２に対して円対称であるように構成されている。
　更に、集光光学系２０は、出射面２０ｂから出射されるレーザービーム２１のいずれもが、集光光学系２０の光軸２２に垂直であるように設定された平面である目標面４０においてビーム径（スポット径）が最小になるように構成されている。本実施形態では、目標面４０は、ＸＹ平面に平行である。レーザービーム２１を目標に照射する場合、目標面４０は、当該目標を通過するように設定される。これは、集光光学系２０が、各レーザービーム２１を目標面４０に集光するように構成されていることを意味している。集光光学系２０は、目標面４０の位置が、光軸２２に平行な方向において可変であるように構成されてもよい。
　加えて、集光光学系２０は、各レーザービーム２１について、目標面４０における各レーザービーム２１の中心から光軸２２までの距離が、各レーザービーム２１の目標面４０におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。本実施形態では、目標面４０におけるビーム径は、Ｄ８６幅(D86 width)（ビームプロファイルの重心を中心として、ビームパワーの８６％が含まれる円の直径）として定義される。また、本実施形態では、目標面４０における各レーザービーム２１の中心の位置は、目標面４０における各レーザービーム２１のビームプロファイルの重心の位置として定義される。図２Ａ乃至図２Ｃは、本実施形態における各レーザービーム２１のビーム形状を示す図である。
　図２Ａは、レーザー光源１０１から出射されたレーザービーム１１１から集光光学系２０によって生成されるレーザービーム２１１のビーム形状を示している。図２Ａに図示されているように、レーザービーム２１１は、目標面４０においてビーム径が最小になる。また、目標面４０におけるレーザービーム２１１の中心２３１と光軸２２との距離ｄ１が、目標面４０におけるレーザービーム２１１のビーム半径ｒ１（即ち、目標面４０におけるレーザービーム２１１のビーム径の２分の１）よりも小さい。即ち、下記式（１）：
　ｄ１＜ｒ１　　　　・・・（１）
が成立する。
　図２Ｂは、レーザー光源１０２から出射されたレーザービーム１１２から集光光学系２０によって生成されるレーザービーム２１２のビーム形状を示している。レーザー光源１０２から出射されるレーザービーム１１２は、集光光学系２０の光軸２２に対して円対称なビーム形状を有しているので、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１２も、光軸２２に対して円対称なビーム形状を有している。
　図２Ｂに図示されているように、レーザービーム２１２も、レーザービーム２１１と同様に、目標面４０においてビーム径が最小になる。また、目標面４０におけるレーザービーム２１２の中心２３２は、光軸２２の上に位置しており、レーザービーム２１２の中心２３２と光軸２２との距離ｄ２は、ゼロである。レーザービーム２１２についても、下記式（２）：
　ｄ２＜ｒ２　　　　・・・（２）
が成立する。ここで、ｒ２は、目標面４０におけるレーザービーム２１２のビーム半径（即ち、目標面４０におけるレーザービーム２１２のビーム径の２分の１）である。
　図２Ｃは、レーザー光源１０３から出射されたレーザービーム１１３から集光光学系２０によって生成されるレーザービーム２１３のビーム形状を示している。図２Ｃに図示されているように、レーザービーム２１３も、目標面４０においてビーム径が最小になる。また、目標面４０におけるレーザービーム２１３の中心２３３と光軸２２との距離ｄ３が、目標面４０におけるレーザービーム２１３のビーム半径ｒ３（即ち、目標面４０におけるレーザービーム２１３のビーム径の２分の１）よりも小さい。即ち、下記式（３）：
　ｄ３＜ｒ３　　　　・・・（３）
が成立する。
　各レーザービーム２１について、目標面４０における各レーザービーム２１の中心から光軸２２までの距離が目標面４０におけるビーム半径よりも小さいという条件は、目標面４０におけるレーザービーム２１の結合を維持するためのものである。本実施形態では、レーザービーム１１が入射面２０ａにおいて異なる位置に入射されるので、出射面２０ｂから出射されるレーザービーム２１の目標面４０におけるビーム中心の位置が、互いに相違し得る。しかしながら、目標面４０における各レーザービーム２１の中心から光軸２２までの距離が、各レーザービーム２１の目標面４０におけるビーム半径よりも小さければ、各レーザービーム２１は目標面４０において他のレーザービーム２１の全てに重なり合い、ビーム結合が維持される。
　本実施形態のこのような構成によれば、レーザービーム照射装置１００の物理的サイズの増大の抑制と集光能力の向上とを実現しながら、高出力の合成レーザービームを目標に照射することが可能になる。
　詳細には、本実施形態では、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が、入射面２０ａにおいて、他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１のうちの他の少なくとも一のレーザービーム１１に重なり合っているように配置される。これにより、レーザービーム照射装置１００の物理的サイズの増大を抑制しながら、高出力の合成レーザービームを生成することができる。レーザービーム１１の数が３以上である場合、物理的サイズの増大の抑制と高出力の合成レーザービームの生成の観点からは、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が、入射面２０ａにおいて、他の全てのレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１に重なっていることが好ましい。
　加えて、本実施形態のレーザービーム照射装置１００では、レーザー光源１０のそれぞれが、レーザービーム１１のビーム径が集光光学系２０の入射面２０ａに向けて広がるようにレーザービーム１１を出射するように構成されている。このため、集光光学系２０の出射面２０ｂにおける各レーザービーム２１のビーム径が大きい。これは、各レーザービーム２１の目標面４０における集光スポット径を小さくできることを意味している。これは、集光能力の向上に有効である。
　本実施形態のレーザービーム照射装置１００では、例えば回折光学素子のような特殊な光学素子を用いずにレーザービームの結合を実現できることにも留意されたい。本実施形態のレーザービーム照射装置１００は、特殊な光学素子を用いなくても、物理的サイズの増大の抑制と集光能力の向上とを実現しながら、高出力の合成レーザービームを生成することができる。
［第２実施形態］
　図３は、第２実施形態のレーザービーム照射装置１００Ａの構成を概念的に示す図である。第２実施形態のレーザービーム照射装置１００Ａは、第１実施形態のレーザービーム照射装置１００と類似した構成となっているが、レーザー光源１０のそれぞれが、それぞれから出射されるレーザービーム１１の位相を制御する位相制御装置１４を備えている点で第１実施形態のレーザービーム照射装置１００と相違している。本実施形態では、位相制御装置１４は、各レーザー光源１０の光ファイバー１３に挿入されている。
　第２実施形態のレーザービーム照射装置１００Ａでは、位相制御装置１４によって集光光学系２０に入射されるレーザービーム１１の位相が制御され、これにより、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御することができる。これは、集光能力の向上に有効である。例えば、位相制御装置１４によってレーザー光源１０から出射されるレーザービーム１１の位相を制御することにより、集光光学系２０の出射面２０ｂにおけるレーザービーム２１の位相が一致されてもよい。これにより、開口合成が実現され、集光能力を向上させることができる。
［第３実施形態］
　図４は、第３実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｂの構成を概念的に示す図である。第３実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｂは、第１実施形態のレーザービーム照射装置１００と類似した構成となっているが、レーザー光源１０のそれぞれから出射されるレーザービーム１１の波面の形状を整形するビーム整形光学系１５を備えている点で第１実施形態のレーザービーム照射装置１００と相違している。本実施形態では、ビーム整形光学系１５は、各レーザー光源１０の光ファイバー１３の、レーザービーム１１が出射される出射端に接続されている。ビーム整形光学系１５としては、例えば、凹レンズ、凸レンズその他の光学要素が使用され得る。
　第３実施形態では、レーザー光源１０のそれぞれから出射されるレーザービーム１１の波面の形状がビーム整形光学系１５によって成形され、これにより、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御することができる。これは、集光能力の向上に有効である。
　なお、図４では、レーザー光源１０のそれぞれが、ビーム整形光学系１５を備えている構成が図示されているが、図５に図示されているように、複数のレーザー光源１０について共通のビーム整形光学系１６が設けられてもよい。ビーム整形光学系１６は、レーザー光源１０のそれぞれから出射されるレーザービーム１１の波面の形状を整形し、これにより、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御する。
　また、図６に図示されているように、位相制御装置１４を備えている第２実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｂにビーム整形光学系１５（又は１６）が設けられてもよい。この場合、ビーム整形光学系１５のそれぞれに入射されるレーザービーム１１のそれぞれに対して位相が制御されるので、ビーム整形光学系１５の構成を単純化しながら、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御することができる。
［第４実施形態］
　図７は、第４実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｃの構成を概念的に示す図である。第４実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｃは、第１実施形態のレーザービーム照射装置１００と類似した構成となっているが、レーザー光源１０と集光光学系２０の入射面２０ａとが、結合光学素子１７によって結合されている点で、第１実施形態のレーザービーム照射装置１００と相違している。本実施形態では、結合光学素子１７は、各レーザー光源１０の光ファイバー１３の、レーザービーム１１が出射される出射端に接合されている。結合光学素子１７としては、例えば、テーパレンズが例示される。結合光学素子１７は、融着によって光ファイバー１３に接合されてもよい。結合光学素子１７は、各レーザー光源１０の光ファイバー１３から出射されたレーザービーム１１を集光光学系２０の入射面２０ａに導くように構成されている。
　本実施形態では、光ファイバー１３の出力端に結合光学素子１７が結合されていることにより、光ファイバー１３のアライメントを容易化することができる。なお、結合光学素子１７に、レーザー光源１０のそれぞれから出射されるレーザービーム１１の波面の形状を整形する機能を持たせてもよい。これは、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御するために有用である。
　なお、本実施形態でも、図８に図示されているように、レーザー光源１０のそれぞれが、それぞれから出射されるレーザービーム１１の位相を制御する位相制御装置１４を備えていてもよい。これにより、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御することができる。
［第５実施形態］
　図９は、第５実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄの構成を概念的に示す図である。上述の実施形態では、集光光学系２０が用いられているが、第５実施形態では、集光光学系２０の代わりに、各レーザービーム１１から平行光であるレーザービーム５１を生成するコリメート光学系５０が用いられる。レーザー光源１０とコリメート光学系５０とは、鏡筒３０に収容されている。以下、本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄの構成を詳細に説明する。
　レーザー光源１０のそれぞれは、レーザービーム１１を出射する。レーザー光源１０から出射されたレーザービーム１１は、コリメート光学系５０の入射面５０ａに入射される。第１乃至第４実施形態と同様に、レーザー光源１０のそれぞれは、レーザービーム１１のビーム径がコリメート光学系５０の入射面５０ａに向けて広がるようにレーザービーム１１を出射するように構成されている。加えて、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が、入射面５０ａにおいて、他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１のうちの少なくとも一のレーザービーム１１に重なり合っているように配置される。このような構成は、レーザービーム照射装置１００Ｄの物理的サイズの増大を抑制しながら、高出力の合成レーザービームを生成するために有用である。この目的の下では、レーザー光源１０の数が３以上である場合には、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が入射面５０ａにおいて他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１の全てに重なり合っているように配置されることが好ましい。
　コリメート光学系５０は、入射面５０ａに入射されるレーザービーム１１に対して所定の光学的操作を行ってレーザービーム５１を生成し、生成したレーザービーム５１を出射面５０ｂから出射する。ここで、コリメート光学系５０は、出射面５０ｂから出射される各レーザービーム５１が平行光であるように構成される。コリメート光学系５０は、光軸５２に対して円対称（circular symmetry）のビーム形状を有するレーザービーム１１が入射面５０ａに入射された場合、該レーザービーム１１から生成されて出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１のビーム形状が光軸５２に対して円対称であるように構成されている。
　以下では、レーザービーム１１１～１１３から生成されて出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１を、それぞれ、レーザービーム５１１～５１３と記載することがある。本実施形態では、コリメート光学系５０は、その光軸５２がＺ軸方向に平行になるように配置されている。コリメート光学系５０の出射面５０ｂから出射されたレーザービーム５１は、互いに重なりながら所望の目標に照射される。即ち、コリメート光学系５０の出射面５０ｂから出射されたレーザービーム５１が合成されて、目標に照射すべき合成ビーム５３が形成される。
　図１０は、第５実施形態における、コリメート光学系５０の出射面５０ｂ上における各レーザービームの強度分布の一例を示す図である。出射面５０ｂの上では、レーザービーム５１が合成されて得られる合成レーザービームの強度分布は、各レーザービーム５１の強度分布を足し合わせたものとなる。入射面５０ａに入射されるレーザービーム１１がガウシアンビームであり、よって、出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１がガウシアンビームである場合、合成レーザービームの強度分布は、裾がやや広がったガウシアン分布になる。第５実施形態では、出射面５０ｂ上における各レーザービーム５１の強度分布が保たれたまま光軸５２に沿ってレーザービーム５１が伝搬される。
　また、第５実施形態においては、レーザー光源１０とコリメート光学系５０とが、出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１のそれぞれについて、レーザービーム５１の中心から光軸５２までの距離が、各レーザービーム５１のビーム径（即ち、スポット径）の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように配置されている。なお、本実施形態においても、ビーム径は、Ｄ８６幅(D86 width)（ビームプロファイルの重心を中心として、ビームパワーの８６％が含まれる円の直径）として定義され、各レーザービーム５１の中心の位置は、光軸５２に垂直な面における各レーザービーム５１のビームプロファイルの重心の位置として定義される。これにより、目標におけるレーザービーム５１の結合を維持することができる。本実施形態においても、レーザービーム１１が入射面５０ａにおいて異なる位置に入射されるので、出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１のビーム中心の位置が、互いに相違し得る。しかしながら、各レーザービーム５１の中心から光軸５２までの距離が、各レーザービーム５１のビーム半径よりも小さければ、各レーザービーム５１は他のレーザービーム５１に重なり合い、ビーム結合が維持される。
　なお、図９には、第１実施形態のレーザービーム照射装置１００の集光光学系２０がコリメート光学系５０に置換された構成が図示されているが、第２乃至第４実施形態のレーザービーム照射装置１００Ａ～１００Ｃの集光光学系２０がコリメート光学系５０に置換されてもよい。
　本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄが複数設けられ、それぞれのレーザービーム照射装置１００Ｄによって生成された合成レーザービームが、集光光学系を用いて更に結合されてもよい。図１１Ａは、このような構成のレーザービーム照射システム２００Ａの構成の一例を概念的に示す図である。
　図１１Ａに図示されたレーザービーム照射システム２００Ａは、２つのレーザービーム照射装置１００Ｄを備えている。以下では、２つのレーザービーム照射装置１００Ｄを互いに区別するために、一方のレーザービーム照射装置１００Ｄをレーザービーム照射装置１００Ｄ１と記載し、他方のレーザービーム照射装置１００Ｄをレーザービーム照射装置１００Ｄ２と記載することがある。
　２つのレーザービーム照射装置１００Ｄのそれぞれは、コリメート光学系５０から、合成ビーム５３を出射する。以下において、レーザービーム照射装置１００Ｄ１のコリメート光学系５０をコリメート光学系５０１と記載し、コリメート光学系５０１から出射される合成ビーム５３を合成ビーム５３１と記載することがある。同様に、レーザービーム照射装置１００Ｄ２のコリメート光学系５０をコリメート光学系５０２と記載し、コリメート光学系５０２から出射される合成ビーム５３を合成ビーム５３２と記載することがある。
　レーザービーム照射装置１００Ｄ１、１００Ｄ２から出射された合成ビーム５３１、５３２は、ビーム整形光学素子５４及び集光光学系６０によって結合される。詳細には、ビーム整形光学素子５４は、レーザービーム照射装置１００Ｄ１、１００Ｄ２からのそれぞれから出射される合成ビーム５３１、５３２の波面の形状を整形する。ビーム整形光学素子５４から出射された合成ビーム５３１、５３２は、集光光学系６０の入射面６０ａに入射される。ビーム整形光学素子５４は、ビーム整形光学素子５４から出射される合成ビーム５３１、５３２のビーム径が入射面６０ａに向けて増大するように構成されている。
　集光光学系６０は、入射面６０ａに入射される合成ビーム５３１、５３２に対して光学的操作を行ってレーザービーム６１１、６１２を生成し、生成したレーザービーム６１１、６１２を出射面６０ｂから出射する。ここで、集光光学系２０によって行われる光学的操作は、各レーザービーム６１１、６１２を集光する操作を含んでいる。本実施形態では、集光光学系６０は、その光軸６２がＺ軸方向に平行になるように配置されている。集光光学系６０の出射面６０ｂから出射されたレーザービーム６１１、６１２が、所望の目標に重ねて照射される。
　第１実施形態において用いられる集光光学系２０と同様に、集光光学系６０は、出射面６０ｂから出射されるレーザービーム６１１、６１２のいずれもが、共通の目標面においてビームウェストを持つ（即ち、スポット径が最小になる）ように構成されている。ここで、当該目標面は、集光光学系６０の光軸６２に垂直であるように規定された平面であり、本実施形態では、当該目標面は、ＸＹ平面に平行である。レーザービーム６１１、６１２を目標に照射する場合、当該目標面は、当該目標を通過するように規定される。
　加えて、集光光学系６０は、レーザービーム６１１、６１２のいずれもが、集光光学系６０の光軸６２に垂直であるように設定された平面である目標面においてビーム径（即ち、スポット径）が最小になり、且つ、当該目標面における各レーザービーム６１１、６１２の中心から光軸６２までの距離が、各レーザービーム６１１、６１２の当該目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。第１実施形態で説明されているように、このような構成により、目標面におけるレーザービーム６１１、６１２の結合が維持される。
　図１１Ａの構成のレーザービーム照射システム２００Ａは、集光能力を維持しながら、多数のレーザービームを結合することができ、大きな出力の合成レーザービームを容易に生成することができる。
　また、本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄが複数設けられ、それぞれのレーザービーム照射装置１００Ｄによって生成された合成レーザービームが、コリメート光学系を用いて更に結合されてもよい。図１１Ｂは、このような構成のレーザービーム照射システム２００Ｂの構成の一例を概念的に示す図である。
　図１１Ｂに図示されたレーザービーム照射システム２００Ｂは、図１１Ａに図示されたレーザービーム照射システム２００Ａと類似した構成を有しているが、集光光学系６０の代わりにコリメート光学系７０が設けられる点で相違している。ビーム整形光学素子５４から出射された合成ビーム５３１、５３２は、コリメート光学系７０の入射面７０ａに入射される。ビーム整形光学素子５４は、ビーム整形光学素子５４から出射される合成ビーム５３１、５３２のビーム径が入射面７０ａに向けて増大するように構成されている。
　コリメート光学系７０は、入射面７０ａに入射される合成ビーム５３１、５３２から平行光であるレーザービーム７１１、７１２を生成し、生成したレーザービーム７１１、７１２を出射面７０ｂから出射する。本実施形態では、コリメート光学系７０は、その光軸７２がＺ軸方向に平行になるように配置されている。コリメート光学系７０の出射面７０ｂから出射されたレーザービーム７１１、７１２は、互いに重なりながら所望の目標に照射される。即ち、コリメート光学系７０の出射面７０ｂから出射されたレーザービーム７１１、７１２が合成されて、目標に照射すべき合成ビームが形成される。レーザービーム照射装置１００Ｄと、ビーム整形光学素子５４と、コリメート光学系７０とは、出射面７０ｂから出射されるレーザービーム７１１、７１２のそれぞれについて、レーザービーム７１１、７１２の中心から光軸７２までの距離が、各レーザービーム７１１、７１２のビーム径（即ち、スポット径）の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように配置されている。
　図１１Ｂの構成のレーザービーム照射システム２００Ｂは、多数のレーザービームを結合して、大きな出力及びビーム径を有する合成レーザービームを容易に生成することができる。
（第６の実施形態）
　図１２は、第６の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅの構成を概念的に示す図である。第６の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅは、第５実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄ（図９参照）と類似した構成を有しているが、固体レーザー増幅器８０を追加的に備えている点で相違する。固体レーザー増幅器８０は、コリメート光学系５０の出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１に対してレーザー増幅を行って増幅後レーザービーム８１を生成する。第６の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅの構成は、レーザービーム照射装置１００Ｅに含まれるレーザー光源１０の数を抑制しながら高出力のレーザービームを生成するために好適である。
　本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅは、特に、レーザー光源１０のレーザー装置１２としてファイバーレーザー、特に、パルス光を発生する、又は狭線幅のレーザー光を発生するファイバーレーザーを用いる場合に特に有効である。ファイバーレーザーは、低出力の領域では固体レーザーと比較して効率が高いが、その一方で、許容されるパルスエネルギーの最大値が小さい。一方、固体レーザーは、許容されるパルスエネルギーの最大値が大きい。また、ファイバーレーザーは、線幅が狭いと非線形効果が顕著に表れ、出力の上限が低下するが、固体レーザーは、非線形効果が表れにくく、狭線幅と高出力の両立が可能である。このようなファイバーレーザー及び固体レーザーの特性を生かすためには、ファイバーレーザーによって生成したレーザー光を固体レーザーで増幅する構成が好適である。本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅでは、レーザー光源１０のレーザー装置１２としてファイバーレーザーを用いることで、ファイバーレーザーによって生成した複数のレーザー光を結合し、更に、固体レーザー増幅器８０で増幅する構成を実現できる。
　以上には、本発明の実施形態が具体的に記述されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されない。本発明が種々の変更と共に実施され得ることは、当業者には理解されよう。また、上記の実施形態は、技術的な矛盾がない限り組み合わせて実施され得ることにも留意されたい。
　なお、本願は、２０１７年７月２７日に出願された日本特許出願２０１７－１４５４０２号に基づいており、それにより条約上の優先権を主張する。その開示の全てを引用によりここに組み込む。

Claims (12)

  1. 　それぞれが第１レーザービームを出射する複数のレーザー光源と、
    　前記第１レーザービームが入射される入射面を有し、入射した前記第１レーザービームに対して光学的操作を行って前記第１レーザービームにそれぞれに対応する第２レーザービームを出射する集光光学系と
    を具備し、
    　複数のレーザー光源は、前記第１レーザービームのビーム径が前記集光光学系の前記入射面に向けて広がるように、互いに異なる位置から前記第１レーザービームを出射するように構成され、
    　前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームのそれぞれは、前記集光光学系の前記入射面において、前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っており、
    　前記集光光学系は、前記集光光学系から出射された前記第２レーザービームの全てについて、前記集光光学系の光軸に垂直であるように設定された平面である目標面において前記第２レーザービームのビーム径が最小になり、且つ、前記目標面における前記第２レーザービームの中心から前記光軸までの距離が、前記第２レーザービームのそれぞれの前記目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている
    　レーザービーム照射装置。
  2. 　請求項１に記載のレーザービーム照射装置であって、
    　前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームのそれぞれは、前記集光光学系の前記入射面において、前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームの他のレーザービームの全てに重なり合っている
    　レーザービーム照射装置。
  3. 　請求項１又は２に記載のレーザービーム照射装置であって、
    　前記複数のレーザー光源のそれぞれは、それぞれが出射する前記第１レーザービームの位相を制御する位相制御装置を備えている
    　レーザービーム照射装置。
  4. 　請求項３に記載のレーザービーム照射装置であって、
    　前記集光光学系は、前記第２レーザービームが出射される出射面を有しており、
    　前記位相制御装置は、前記集光光学系の前記出射面における前記第２レーザービームの位相が同一であるように、前記第１レーザービームの位相を制御する
    　レーザービーム照射装置。
  5. 　請求項１又は２に記載のレーザービーム照射装置であって、
    　更に、前記第１レーザービームの波面の形状を整形するビーム整形光学系を具備する
    　レーザービーム照射装置。
  6. 　請求項３又は４に記載のレーザービーム照射装置であって、
    　更に、
    　前記複数のレーザー光源から出射される複数の前記第１レーザービームの波面の形状をそれぞれに整形する複数のビーム整形光学系を具備する
    　レーザービーム照射装置。
  7. 　請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザービーム照射装置であって、
    　更に、結合光学素子を具備し、
    　前記複数のレーザー光源のそれぞれは、前記第１レーザービームを一端から出射する光ファイバーを備えており、
    　前記結合光学素子は、前記複数のレーザー光源の前記光ファイバーに接合され、前記光ファイバーから出射された前記第１レーザービームを前記集光光学系の前記入射面に導くように構成された
    　レーザービーム照射装置。
  8. 　それぞれが第１レーザービームを出射する複数のレーザー光源と、
    　前記第１レーザービームが入射される入射面を有し、入射した前記第１レーザービームに対して光学的操作を行って、前記第１レーザービームにそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービームを出射するコリメート光学系と
    を具備し、
    　複数のレーザー光源は、前記第１レーザービームのビーム径が前記入射面に向けて広がるように、互いに異なる位置から前記第１レーザービームを出射するように構成され、
    　前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームのそれぞれは、前記コリメート光学系の前記入射面において、前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っており、
    　前記コリメート光学系は、前記複数の第２レーザービームのそれぞれの中心から前記コリメート光学系の光軸までの距離が、前記複数の第２レーザービームのそれぞれのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている
    　レーザービーム照射装置。
  9. 　請求項８に記載のレーザービーム照射装置であって、
    　更に、
    　前記コリメート光学系から出射される前記複数の第２レーザービームが入射され、前記複数の第２レーザービームに対してレーザー増幅を行って増幅後レーザービームを生成する固体レーザー増幅器
    を具備する
    　レーザービーム照射装置。
  10. 　請求項９に記載のレーザービーム照射装置であって、
    　前記複数のレーザー光源のそれぞれは、ファイバーレーザーを含む
    　レーザービーム照射装置。
  11. 　複数のレーザービーム照射装置と、
    　集光光学系と
    を具備し、
    　前記複数のレーザービーム照射装置のそれぞれは、
    　それぞれが第１レーザービームを出射する複数のレーザー光源と、
    　前記第１レーザービームが入射される入射面を有し、入射した前記第１レーザービームに対して光学的操作を行って、前記第１レーザービームにそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービームを出射するコリメート光学系と
    を具備し、
    　複数のレーザー光源は、前記第１レーザービームのビーム径が前記コリメート光学系の前記入射面に向けて広がるように、互いに異なる位置から前記第１レーザービームを出射するように構成され、
    　前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームのそれぞれは、前記コリメート光学系の前記入射面において、前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っており、
    　前記コリメート光学系は、前記複数の第２レーザービームのそれぞれの中心から前記コリメート光学系の光軸までの距離が、前記複数の第２レーザービームのそれぞれのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成され、
    　前記複数のレーザービーム照射装置のそれぞれから出射される前記複数の第２レーザービームで構成される合成ビームが、前記集光光学系の入射面に入射され、
    　前記集光光学系は、前記合成ビームに対して光学的操作を行って前記合成ビームにそれぞれに対応する第３レーザービームを出射するように構成され、
    　前記集光光学系は、前記集光光学系から出射された前記第３レーザービームの全てについて、前記集光光学系の光軸に垂直であるように設定された平面である目標面において前記第３レーザービームのビーム径が最小になり、且つ、前記目標面における前記第３レーザービームの中心から前記光軸までの距離が、前記第３レーザービームのそれぞれの前記目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている
    　レーザービーム照射システム。
  12. 　複数のレーザービーム照射装置と、
    　第１コリメート光学系と
    を具備し、
    　前記複数のレーザービーム照射装置のそれぞれは、
    　それぞれが第１レーザービームを出射する複数のレーザー光源と、
    　前記第１レーザービームが入射される入射面を有し、入射した前記第１レーザービームに対して光学的操作を行って、前記第１レーザービームにそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービームを出射する第２コリメート光学系と
    を具備し、
    　複数のレーザー光源は、前記第１レーザービームのビーム径が前記第２コリメート光学系の前記入射面に向けて広がるように、互いに異なる位置から前記第１レーザービームを出射するように構成され、
    　前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームのそれぞれは、前記第２コリメート光学系の前記入射面において、前記複数のレーザー光源が出射する前記第１レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っており、
    　前記第２コリメート光学系は、前記複数の第２レーザービームのそれぞれの中心から前記第２コリメート光学系の光軸までの距離が、前記複数の第２レーザービームのそれぞれのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成され、
    　前記複数のレーザービーム照射装置のそれぞれから出射される前記複数の第２レーザービームで構成される合成ビームが、前記第１コリメート光学系の入射面に入射され、
    　前記第１コリメート光学系は、前記合成ビームに対して光学的操作を行って、前記合成ビームにそれぞれに対応し、且つ、平行光である第３レーザービームを出射するように構成されている
    　レーザービーム照射システム。
     
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