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WO2012017788A1 - レーザ光整形及び波面制御用光学系 - Google Patents

レーザ光整形及び波面制御用光学系 Download PDF

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WO2012017788A1
WO2012017788A1 PCT/JP2011/065973 JP2011065973W WO2012017788A1 WO 2012017788 A1 WO2012017788 A1 WO 2012017788A1 JP 2011065973 W JP2011065973 W JP 2011065973W WO 2012017788 A1 WO2012017788 A1 WO 2012017788A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical system
laser light
intensity distribution
lens
intensity
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2011/065973
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
伊藤　晴康
敬史 安田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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.)
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Publication date
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Priority to DE112011102592.0T priority patent/DE112011102592B4/de
Priority to CN201180038181.1A priority patent/CN103069328B/zh
Priority to KR1020187000642A priority patent/KR102047612B1/ko
Priority to US13/809,468 priority patent/US8810890B2/en
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    • G02B27/0977—Reflective elements
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses

Definitions

  • the present invention relates to an optical system that shapes the intensity distribution of laser light into an arbitrary intensity distribution and also controls the wavefront of the laser light.
  • Patent Document 1 discloses a laser light shaping optical system that shapes an intensity distribution of laser light into a spatially uniform intensity distribution, which includes an aspheric lens type homogenizer.
  • the laser light shaping optical system disclosed in Patent Document 1 includes a transfer lens system (imaging optical system) immediately after the homogenizer in order to solve the problem that the laser beam emitted from the homogenizer is distorted according to the propagation distance. ing.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose a spatial light modulator (SLM) as an optical system that corrects the aberration of laser light, that is, a wavefront control optical system that controls the wavefront of laser light. What is provided is disclosed.
  • SLM spatial light modulator
  • the wavefront controlling optical system disclosed in Patent Document 2 is an adjustment optical system (imaging) between the SLM and the condensing optical system in order to match the wavefront shape in the SLM with the wavefront shape in the condensing optical system.
  • Optical system is an adjustment optical system (imaging) between the SLM and the condensing optical system in order to match the wavefront shape in the SLM with the wavefront shape in the condensing optical system.
  • the inventors of the present application have attempted to reconcile the intensity distribution of laser light into a spatially uniform intensity distribution and control the wavefront of the laser light.
  • the laser light shaping optical system disclosed in Patent Document 1 when an SLM is provided between the homogenizer and the imaging optical system, the incident-side imaging surface of the imaging optical system is set as the exit surface of the homogenizer. Therefore, the output image of the SLM is not formed on the condensing optical system, and there arises a problem that the wavefront control (aberration correction) is not sufficiently performed.
  • the wavefront control optical system disclosed in Patent Document 2 if the homogenizer is provided in the previous stage of the SLM, the image forming side imaging surface of the imaging optical system is set as the modulation surface of the SLM. Does not form an image on the condensing optical system, causing a problem that the intensity distribution of the shaped laser beam is distorted.
  • the present invention provides an optical system for laser light shaping and wavefront control that can easily reconcile the intensity distribution of laser light into an arbitrary intensity distribution and control the wavefront of laser light.
  • the purpose is to provide.
  • the optical system for laser beam shaping and wavefront control converts the intensity distribution of incident laser light into a desired intensity distribution, and modulates the laser beam emitted from the intensity conversion lens to control the wavefront.
  • An imaging optical system having an incident-side imaging surface between a surface where the distribution is distributed in a desired intensity distribution and the modulation surface of the light modulation element, and having an exit-side imaging surface in the light collecting optical system .
  • the imaging optical system is configured so that the intensity distribution of the laser beam emitted from the intensity conversion lens is distributed between a desired intensity distribution and the modulation surface of the light modulation element. Therefore, the desired intensity distribution shaped by the intensity conversion lens and the wavefront controlled by the light modulation element can both be transferred to the condensing optical system. Therefore, it is possible to easily balance the shaping of the intensity distribution of the laser light into an arbitrary intensity distribution and the control of the wavefront of the laser light.
  • the intensity conversion lens shapes the intensity distribution of the incident laser light, but simultaneously changes the wavefront of the incident laser light (in other words, the phase of the incident laser light).
  • the wavefront control resolution can be improved by utilizing the change of the wavefront (aberration) by the intensity conversion lens, compared to the case where the wavefront control is performed only by the light modulation element. Is possible.
  • the surface where the intensity distribution of the laser beam emitted from the intensity conversion lens is distributed to the desired intensity distribution is located on the modulation surface of the light modulation element, and the imaging optical system described above is incident on the modulation surface of the light modulation element. You may have a side image plane.
  • the desired intensity distribution shaped by the intensity conversion lens and the wavefront controlled by the light modulation element can be transferred to the condensing optical system more strictly.
  • the optical system for laser beam shaping and wavefront control described above is arranged on a surface where the intensity distribution of the laser beam emitted from the intensity conversion lens is distributed in a desired intensity distribution, and the phase of the laser beam emitted from the intensity conversion lens is aligned. You may further provide the phase correction lens which correct
  • the desired intensity distribution shaped by the intensity conversion lens and the wavefront controlled by the light modulation element can both be transferred to the condensing optical system. Therefore, it is possible to easily balance the shaping of the intensity distribution of the laser light into an arbitrary intensity distribution and the control of the wavefront of the laser light.
  • the wavefront change by the intensity conversion lens can be used, which is effective for correcting aberrations.
  • this configuration further including a phase correction lens is effective.
  • the light modulation element corrects a wavefront change caused by the intensity conversion lens and controls the wavefront change to form a multipoint. There is a need. Therefore, the amount of wavefront control realized by the light modulation element increases.
  • the phase of the output laser light from the intensity conversion lens is corrected to a plane wave by the phase correction lens, so that the light modulation element is used to form multiple points. Only the wavefront change needs to be realized. Accordingly, the amount of wavefront control realized by the light modulation element does not increase.
  • the present invention it is possible to easily reconcile the intensity distribution of the laser light into an arbitrary intensity distribution and control the wavefront of the laser light.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an optical system for laser beam shaping and wavefront control according to a first comparative example of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an intensity distribution of incident laser light and an example of a desired intensity distribution of outgoing laser light in a homogenizer.
  • FIG. 3 is a schematic view of specifying an optical path between aspherical lenses in the homogenizer.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the shape of the aspherical lens for intensity conversion.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the shape of an aspheric lens for phase correction.
  • FIG. 6 is a diagram showing a measurement system for measuring the intensity distribution of the emitted laser light of the aspherical lens for intensity conversion.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an optical system for laser beam shaping and wavefront control according to a first comparative example of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an intensity distribution of incident laser light and an example of a
  • FIG. 7 is a diagram showing the measurement result of the intensity distribution of the incident laser beam and the emitted laser beam of the intensity conversion aspheric lens.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a laser light shaping and wavefront controlling optical system according to a second comparative example of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for specifying the optical path of the laser beam emitted from the aspherical lens for intensity conversion.
  • FIG. 10 is a diagram showing the measurement result of the intensity distribution on the pupil plane of the condenser lens.
  • FIG. 11 is a diagram showing an image pickup system for picking up an image of the condensing characteristic inside the transparent medium.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the imaging result of the condensing characteristic inside the transparent medium.
  • FIG. 13 is a block diagram showing the laser light shaping and wavefront controlling optical system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing wavefront distortion caused by the intensity converting aspherical lens.
  • FIG. 15 is a diagram showing the condensing characteristics inside the transparent medium with and without using the wavefront change by the intensity converting aspherical lens.
  • FIG. 16 is a block diagram showing an optical system for laser light shaping and wavefront control according to the second embodiment of the present invention.
  • the first comparative example includes a homogenizer for shaping the intensity distribution of the laser light and a spatial light modulator (light modulation element: hereinafter referred to as SLM) for controlling the wavefront of the laser light, and further shaped by the homogenizer.
  • SLM spatial light modulator
  • a form including two imaging optical systems has been devised.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an optical system for laser beam shaping and wavefront control according to a first comparative example of the present invention.
  • the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1X of the first comparative example includes a laser light source 12, a spatial filter 14, a collimating lens 16, reflecting mirrors 18, 20, and 22, a homogenizer 26, and imaging optics.
  • Systems 28 and 30X, a prism 32, an SLM 34, and a condensing lens (condensing optical system) 36 are provided.
  • the laser light source 12 is, for example, an Nd: YAG laser.
  • the collimating lens 16 is, for example, a plano-convex lens. As described above, the laser light emitted from the laser light source 12 passes through the spatial filter 14 and the collimating lens 16, so that the intensity distribution is shaped into a concentric Gaussian distribution (Oi in FIG. 2). The laser light whose intensity distribution is shaped is turned 90 degrees by the reflecting mirror 18 and is incident on the homogenizer 26.
  • the homogenizer 26 is for shaping the intensity distribution of the laser light into an arbitrary shape.
  • the homogenizer 26 includes a pair of aspheric lenses 24 and 25.
  • the aspherical lens 24 on the incident side functions as an aspherical lens for intensity conversion for shaping the intensity distribution of the laser light into an arbitrary shape
  • the aspherical lens 25 on the emission side is used for the shaped laser light. It functions as an aspherical lens for phase correction that aligns the phase and corrects it to a plane wave.
  • it is possible to generate the outgoing laser light Oo in which the intensity distribution of the incident laser light Oi is shaped into a desired intensity distribution by the aspheric shape design of the pair of aspheric lenses 24 and 25.
  • a desired intensity distribution is set to a spatially uniform intensity distribution desired in the laser processing apparatus, that is, a super Gaussian distribution (Oo in FIG. 2).
  • the desired intensity distribution needs to be set so that the energy of the emitted laser light Oo (the area of the desired intensity distribution) is equal to the energy of the incident laser light Oi (the area of the intensity distribution). Therefore, for example, the super Gaussian distribution may be set as follows.
  • the intensity conversion is performed so that the intensity distribution of the incident laser light Oi in the intensity conversion aspheric lens 24 becomes the output laser light Oo having a desired intensity distribution in the phase correction aspheric lens 25.
  • Optical paths P1 to P8 at arbitrary coordinates in the radial direction of the aspherical lens are obtained from the aspherical surface 24a of the aspherical lens 24 for use to the aspherical surface 25a of the aspherical lens 25 for phase correction.
  • the shape of the aspheric surface 24a of the intensity converting aspheric lens 24 is obtained based on the obtained optical paths P1 to P8. Specifically, as the optical path P1 ⁇ P8 is obtained, determine the difference in height of the aspheric surface 24a at each coordinate in the radial r 1 direction center of the intensity conversion aspherical lens 24 as a reference. Then, as shown in FIG. 4, the shape of the aspheric surface 24a of the intensity converting aspheric lens 24 is obtained.
  • the shape of the aspherical surface 25a of the phase correcting aspherical lens 25 is determined so that the phases of the laser beams in the optical paths P1 to P8 are aligned and become a plane wave. Specifically, determining the difference in height of the aspheric surface 25a at each coordinate in the radial r 2 direction center of the phase correction aspherical lens 25 as a reference. Then, as shown in FIG. 5, the shape of the aspheric surface 25a of the aspherical lens 25 for phase correction is obtained.
  • the laser light Oo shaped into a desired intensity distribution by the homogenizer 26 is turned 90 degrees by the reflecting mirror 20 and enters the imaging optical system 28.
  • the imaging optical system 28 includes a pair of lenses 28a and 28b, and forms an image of the laser beam on the incident side imaging surface on the emission side imaging surface.
  • the incident-side imaging surface of the imaging optical system 28 is set to the exit surface of the homogenizer 26, that is, the exit surface 25b of the phase correcting aspheric lens 25, and the exit-side imaging surface is the modulation surface 34a of the SLM 34.
  • the imaging optical system 28 may function as an enlarging optical system or a reducing optical system that adapts the beam diameter of the laser light on the incident-side imaging surface to the size of the modulation surface 34a of the SLM 34. This makes it possible to effectively use the pixel area on the modulation surface 34a of the SLM 34.
  • Laser light output from the imaging optical system 28 enters the prism 32.
  • the prism 32 changes the direction of the incident laser light and makes it incident on the SLM 34, and also changes the direction of the laser light from the SLM 34 and makes it incident on the imaging optical system 30.
  • the SLM 34 is, for example, an LCOS-SLM (Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator), and performs wavefront control by modulating the phase of the laser light from the prism 32.
  • LCOS-SLM Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator
  • a correction wavefront for correcting spherical aberration generated inside the transparent medium is set.
  • the imaging optical system 30X includes a pair of lenses 30Xa and 30Xb, and forms an image of the laser light on the incident side imaging surface on the emission side imaging surface.
  • the incident side imaging surface of the imaging optical system 30 ⁇ / b> X is set to the modulation surface 34 a of the SLM 34, and the emission side imaging surface is set to the pupil surface 36 a of the condenser lens 36.
  • the reflecting mirror 22 is disposed between the lenses 30Xa and 30Xb.
  • the imaging optical system 30X may function as an enlarging optical system or a reducing optical system that adapts the beam diameter of the laser light on the incident-side imaging surface to the pupil diameter of the pupil plane 36a of the condenser lens 36. As a result, the laser light can be efficiently guided to the condenser lens 36.
  • the condensing lens 36 condenses the laser light from the imaging optical system 30X at a desired position, for example, a processing position inside the transparent medium.
  • the intensity distribution shaped by the homogenizer 26 is strictly applied to the pupil plane 36a of the condenser lens 36 by the imaging optical systems 28 and 30X.
  • the wavefront controlled by the SLM 34 can be strictly transferred to the pupil plane 36a of the condenser lens 36 by the imaging optical system 30X. Therefore, it is possible to reconcile the intensity distribution of the laser light into an arbitrary intensity distribution and to control the wavefront of the laser light.
  • the spatial mode (intensity distribution) of the laser beam emitted from the intensity converting aspherical lens 24 in the homogenizer 26 was measured by a beam profiler 42 through an imaging lens system 41 as shown in FIG. Further, the spatial mode (intensity distribution) of the laser beam incident on the intensity conversion aspheric lens 24 was also measured by the imaging lens system 41 and the beam profiler 42. These measurement results are shown in FIG.
  • FIG. 7A shows the measurement result of the spatial mode (intensity distribution) of the laser beam incident on the intensity converting aspheric lens 24.
  • FIGS. 7B to 7F show the intensity converting aspheric lens 24.
  • FIG. The measurement results of the spatial mode (intensity distribution) after the laser beams emitted from the laser beam propagated by 50 mm to 170 mm, respectively.
  • the intensity distribution of the laser light is substantially spatially uniform, that is, a super Gaussian distribution almost as designed. It was confirmed that shaping was possible.
  • FIG. 8 is a block diagram showing an optical system for laser beam shaping and wavefront control according to a second comparative example of the present invention.
  • the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1Y of the second comparative example has a configuration in which only the intensity converting aspherical lens 24 is provided in place of the homogenizer 26 in the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1X. It is different from the comparative example.
  • Other configurations of the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1Y of the second comparative example are the same as those of the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1 of the first comparative example.
  • the aspherical lens 24 for intensity conversion is for shaping the intensity distribution of the laser light into an arbitrary shape, and the intensity distribution of the incident laser light Oi is set to a desired shape by designing the shape of the aspherical surface 24a. It becomes possible to generate the outgoing laser light Oo shaped into an intensity distribution.
  • the intensity distribution (Gaussian distribution as described above) of the incident laser light Oi in the aspheric lens 24 for intensity conversion is a desired intensity distribution (as described above) on the desired surface 24x.
  • the shape of the aspheric surface 24a of the intensity converting aspheric lens 24 is obtained based on the obtained optical paths P1 to P8. Specifically, as the optical path P1 ⁇ P8 is obtained, determine the difference in height of the aspheric surface 24a at each coordinate in the radial r 1 direction center of the intensity conversion aspherical lens 24 as a reference. Then, as shown in FIG. 4, the shape of the aspheric surface 24a of the intensity converting aspheric lens 24 is obtained.
  • the incident-side imaging surface of the imaging optical system 28 is set to a surface 24x where the intensity distribution of the laser beam emitted from the intensity converting aspheric lens 24 is distributed in a desired intensity distribution.
  • the intensity distribution shaped by the intensity converting aspherical lens 24 and the intensity distribution on the desired surface 24x is converted into the imaging optical system. 28, 30X can be strictly transferred to the pupil plane 36a of the condenser lens 36, and the wavefront controlled by the SLM 34 is strictly transferred to the pupil plane 36a of the condenser lens 36 by the imaging optical system 30X. be able to. Therefore, it is possible to reconcile the intensity distribution of the laser light into an arbitrary intensity distribution and to control the wavefront of the laser light.
  • the spatial mode (intensity distribution) on the pupil plane 36a of the condenser lens 36 is converted into a beam profiler 42 via the imaging lens system 41. It measured using. The measurement results are shown in FIG. According to this, as described above, the intensity distribution shaped by the intensity converting aspheric lens 24 and the intensity distribution on the desired surface 24x is converted into the pupil plane of the condenser lens 36 by the imaging optical systems 28 and 30X. It was confirmed that the image could be transferred to 36a.
  • a transparent material 50 is disposed in the condensing part of the condensing lens 36, and the condensing inside the transparent material 50 is performed.
  • the characteristic was imaged by the CCD camera 52 through the lens 51 from the side.
  • FIG. 12 shows an imaging result when spherical aberration is corrected by wavefront control by the SLM 34. According to this, even when the intensity distribution shaped by one aspherical lens 24 is transferred, the wavefront control is performed. It was confirmed that it functions effectively.
  • the intensity distribution shaped by the intensity converting aspherical lens 24 does not change abruptly because it deviates from the design value. Also, the wavefront controlled by the SLM 34 does not need to be strictly transferred depending on the application.
  • the inventors of the present application can perform laser beam shaping and wavefront control optics that can easily reconcile laser beam intensity distribution into an arbitrary intensity distribution and control the wavefront of the laser beam. Devise a system.
  • FIG. 13 is a block diagram showing the laser light shaping and wavefront controlling optical system according to the first embodiment of the present invention.
  • the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1 of the first embodiment includes a single imaging optical system 30 in place of the two imaging optical systems 28 and 30X in the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1Y.
  • the configuration provided is different from the second comparative example.
  • Other configurations of the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1 of the first embodiment are the same as those of the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1Y of the second modification.
  • the imaging optical system 30 has a pair of lenses 30a and 30b, and forms an image of the laser light on the incident side imaging surface on the emission side imaging surface.
  • the exit-side imaging surface of the imaging optical system 30 is set to the pupil plane 36a of the condenser lens 36, similarly to the imaging optical system 30X.
  • the imaging optical system 30 forms an image on the incident side between the desired surface 24x where the intensity distribution of the laser beam emitted from the intensity converting aspheric lens 24 is distributed in a desired intensity distribution and the modulation surface 34a of the SLM 34. This is different from the imaging optical system 30X in that the surface is set.
  • the reflecting mirror 22 is disposed between the lenses 30a and 30b.
  • the imaging optical system 30 may also function as an enlarging optical system or a reducing optical system that adapts the beam diameter of the laser light on the incident-side imaging surface to the pupil diameter of the pupil plane 36a of the condenser lens 36. Thereby, as described above, the laser light can be efficiently guided to the condenser lens 36.
  • the imaging optical system 30 distributes the intensity distribution of the emitted laser light from the intensity converting aspheric lens 24 into a desired intensity distribution. Since there is an incident-side imaging surface between the desired surface 24x and the modulation surface 34a of the SLM 34, both the desired intensity distribution shaped by the intensity converting aspheric lens 24 and the wavefront controlled by the SLM 34 are provided. The image can be transferred to the pupil plane 36a of the condenser lens 36. Therefore, it is possible to easily balance the shaping of the intensity distribution of the laser light into an arbitrary intensity distribution and the control of the wavefront of the laser light.
  • the effective NA of the condenser lens 36 can be improved by making the intensity distribution of the laser light uniform, and the following.
  • spherical aberration can be corrected by using a wavefront change that occurs during intensity conversion.
  • the aspherical lens 24 for intensity conversion shapes the intensity distribution of the incident laser beam, but at the same time, the wavefront of the incident laser beam (in other words, the phase of the incident laser beam) is also changed.
  • the wavefront control is performed by using the change of the wavefront by the intensity converting aspheric lens 24 as compared with the case where the wavefront control is performed only by the SLM 34. The resolution can be improved. Below, this effect is verified.
  • FIG. 14 is a diagram showing wavefront distortion caused by an aspherical lens for intensity conversion.
  • a curve A is a wavefront distortion caused by the aspherical lens 24 for intensity conversion
  • NA NA
  • f focal length
  • the SLM 34 it is only necessary to perform wavefront correction by an amount that does not match the wavefront generated by the intensity converting aspherical lens 24 with the correction wavefront required for correcting the spherical aberration.
  • the wavefront control resolution can be remarkably improved as compared with the case where the spherical aberration is corrected only by the SLM 34.
  • FIG. 15A is a first comparative example, that is, a diagram showing a condensing characteristic inside the transparent material when the wavefront change by the intensity converting aspheric lens 24 is corrected by the phase correcting aspheric lens 25.
  • FIG. 15B is a diagram showing the condensing characteristics inside the transparent material in the case of using the second comparative example, that is, the wavefront change by the intensity conversion aspheric lens 24.
  • 15A and 15B in order to clarify the effect of correcting the spherical aberration by the intensity converting aspheric lens, the wavefront correction by the SLM 34 is not performed.
  • the transparent material 50 is disposed in the condensing part of the condensing lens 36, and the condensing characteristic inside the transparent material 50 is imaged by the CCD camera 52 through the lens 51 from the side surface. From this, it was confirmed that the distortion of the condensing part due to spherical aberration is improved by using the aspherical lens for intensity conversion alone.
  • FIG. 16 is a configuration diagram showing an optical system for laser beam shaping and wavefront control according to the second embodiment of the present invention.
  • the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1A according to the second embodiment is configured to include a homogenizer 26 in place of the intensity converting aspheric lens 24 in the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1. It is different from the form. That is, the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1A of the second embodiment is different from the first embodiment in that the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1 further includes a phase correcting aspheric lens 25. ing.
  • Other configurations of the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1A of the second embodiment are the same as those of the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1 of the first embodiment.
  • the phase correcting aspheric lens 25 is used to correct the phase of the laser light shaped by the intensity converting aspheric lens 24 and correct it to a plane wave.
  • the intensity distribution of the laser beam is arranged on a desired surface 24x that is distributed in a desired intensity distribution.
  • the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1A of the second embodiment similarly to the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1 of the first embodiment, the laser light shaping and wavefront controlling optical system 1A is shaped by the intensity converting aspheric lens 24. Both the desired intensity distribution and the wavefront controlled by the SLM 34 can be transferred to the pupil plane 36 a of the condenser lens 36. Therefore, it is possible to easily balance the shaping of the intensity distribution of the laser light into an arbitrary intensity distribution and the control of the wavefront of the laser light.
  • the second embodiment further including a phase correcting aspheric lens 25 is effective.
  • the SLM 34 corrects the wavefront change caused by the intensity converting aspherical lens 24 and multipoints. It is necessary to control the wavefront change to form the. For this reason, the amount of wavefront control realized by the SLM 34 increases.
  • the phase of the laser beam emitted from the intensity converting aspheric lens 24 is aligned and corrected to a plane wave by the phase correcting aspheric lens 25. Therefore, in the SLM 34, it is only necessary to realize a wavefront change for forming multiple points. Accordingly, the amount of wavefront control realized by the SLM 34 does not increase.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
  • the wavefront (phase modulation amount) that can be controlled by the SLM is finite, if the phase modulation amount is large, the resolution of the SLM is insufficient and it becomes difficult to sufficiently realize a desired wavefront.
  • the SLM 34 may be displayed by folding back at 2 ⁇ or an even multiple of 2 ⁇ .
  • the desired surface 24x in which the intensity distribution of the laser beam emitted from the intensity conversion aspheric lens 24 is distributed in a desired intensity distribution may be designed as the modulation surface 34a of the SLM 34.
  • the intensity distribution on the SLM 34 shaped by the intensity converting aspheric lens 24 and the wavefront controlled by the SLM 34 can be strictly transferred onto the pupil plane 36a of the condenser lens 36.
  • the intensity conversion aspherical lens 24 may have a function as an enlargement optical system by the imaging optical system 28 in the comparative example. That is, the intensity conversion aspheric lens 24 may have a function of expanding the laser beam diameter so as to be adapted to the size of the modulation surface 34 a of the SLM 34. This makes it possible to effectively use the pixel area on the modulation surface 34a of the SLM 34.
  • the beam diameter (wavefront) required for correcting the desired spherical aberration can be realized by the intensity converting aspheric lens 24 alone. In some cases.
  • the incident laser light of the intensity converting aspheric lens 24 It is necessary to set the beam diameter and the beam diameter of the emitted laser light (laser light after intensity conversion) to appropriate values.
  • an enlargement optical system or a reduction optical system may be disposed in front of the intensity converting aspherical lens 24.
  • the modulated light and the size of the modulation surface 34a of the SLM 34 are adapted to each other.
  • the pixel area of the SLM 34 can be used effectively.
  • an enlargement optical system or a reduction optical system may be disposed in front of the intensity converting aspherical lens 24.
  • the laser light intensity distribution can be applied to an application in which both shaping the laser light intensity distribution into an arbitrary intensity distribution and controlling the wavefront of the laser light are easy.
  • Laser light source 14
  • Spatial filter 16
  • Reflector 24
  • Aspherical lens for intensity conversion (intensity conversion lens) 24x A surface on which the intensity distribution of the laser beam emitted from the intensity conversion lens is distributed in a desired intensity distribution
  • Aspherical lens for phase correction (phase correction lens) 26
  • Homogenizer 28, 30, 30X Imaging optical system 32
  • Prism 34
  • Spatial light modulator (SLM: Light modulation element) 34a Modulating surface 36
  • Condensing lens (condensing optical system) 36a Pupil plane 41
  • Imaging lens system 42
  • Beam profiler 50
  • Transparent material 51
  • Lens 52 CCD camera

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Abstract

　本発明の一実施形態に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系１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２４と、強度変換レンズ２４からの出射レーザ光を変調して波面制御を行う光変調素子３４と、光変調素子３４からの出力レーザ光を集光する集光光学系３６と、光変調素子３４と集光光学系３６との間に配置され、強度変換レンズ２４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面２４ｘと光変調素子３４の変調面３４ａとの間に入射側結像面を有し、集光光学系３６の瞳面３６ａに出射側結像面を有する結像光学系３０と、を備える。

Description

レーザ光整形及び波面制御用光学系
　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と共に、当該レーザ光の波面をも制御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に整形するレーザ光整形用光学系として、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、ホモジナイザからの出射レーザ光が伝搬距離に応じて歪むという問題を解決するために、ホモジナイザ直後に転写レンズ系（結像光学系）を備えている。
　また、レーザ加工などにおいては、微細加工が行えることが望まれている。例えば、光導波路等の改質層を形成する場合には、集光点が極力小さいものが望まれている。しかしながら、加工位置が深くなると、収差（波面歪）によって集光領域が伸張するため、良好な加工状態を維持することが困難となる。この点に関し、特許文献２及び３には、レーザ光の収差を補正する光学系、すなわち、レーザ光の波面を制御する波面制御用光学系として、空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）を備えるものが開示されている。なお、特許文献２に開示の波面制御用光学系は、ＳＬＭにおける波面形状と集光光学系における波面形状とを一致させるために、ＳＬＭと集光光学系との間に調整光学系（結像光学系）を備えている。
特開２００７－３１０３６８号公報 特開２００９－０３４７２３号公報 特開２０１０－０７５９９７号公報
　本願発明者らは、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ことと、レーザ光の波面を制御することとを両立することを試みた。しかしながら、特許文献１に開示のレーザ光整形用光学系において、ホモジナイザと結像光学系との間にＳＬＭを備えると、結像光学系の入射側結像面がホモジナイザの出射面に設定されているので、ＳＬＭの出力像が集光光学系に結像されず、波面制御（収差補正）が十分に行われないという問題が生じてしまう。
　一方、特許文献２に開示の波面制御用光学系において、ＳＬＭの前段にホモジナイザを備えると、結像光学系の入射側結像面がＳＬＭの変調面に設定されているので、ホモジナイザの出力像が集光光学系に結像されず、整形したレーザ光の強度分布が歪んでしまうという問題が生じてしまう。
　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ことと、レーザ光の波面を制御することとを簡易に両立することが可能なレーザ光整形及び波面制御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及び波面制御用光学系は、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を変調して波面制御を行う光変調素子と、光変調素子からの出力レーザ光を集光する集光光学系と、光変調素子と集光光学系との間に配置され、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面と光変調素子の変調面との間に入射側結像面を有し、集光光学系に出射側結像面を有する結像光学系と、を備える。
　このレーザ光整形及び波面制御用光学系によれば、結像光学系が、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面と光変調素子の変調面との間に入射側結像面を有するので、強度変換レンズによって整形された所望の強度分布と、光変調素子によって制御された波面とを共に集光光学系に転象することができる。したがって、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することと、レーザ光の波面を制御することとを簡易に両立することが可能となる。
　ここで、強度変換レンズは、入射レーザ光の強度分布を整形するものであるが、同時に入射レーザ光の波面（換言すれば、入射レーザ光の位相）も変化させることとなる。このレーザ光整形及び波面制御用光学系では、この強度変換レンズによる波面（収差）の変化を利用することにより、光変調素子のみで波面制御を行う場合に比べて、波面制御分解能を向上させることが可能となる。
　上記した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面が、光変調素子の変調面に位置し、上記した結像光学系は、光変調素子の変調面に入射側結像面を有していてもよい。
　この構成によれば、強度変換レンズによって整形された所望の強度分布と、光変調素子によって制御された波面とをより厳密に集光光学系に転象することができる。
　上記したレーザ光整形及び波面制御用光学系は、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面に配置され、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を更に備えてもよい。
　この構成でも、強度変換レンズによって整形された所望の強度分布と、光変調素子によって制御された波面とを共に集光光学系に転象することができる。したがって、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することと、レーザ光の波面を制御することとを簡易に両立することが可能となる。
　ここで、上述したように、位相補正レンズを備えず強度変換レンズのみを備える構成では、強度変換レンズによる波面変化を利用することができ、収差の補正に対して有効であった。しかしながら、材料の表面を多点加工する場合のように収差の補正が必要とされない場合には、位相補正レンズを更に備えるこの構成が有効である。材料の表面を多点加工する場合、強度変換レンズのみを用いる構成を適用すると、光変調素子では、強度変換レンズによって生じる波面変化を補正すると共に、多点を形成するための波面変化を制御する必要がある。そのため、光変調素子で実現する波面制御量が増加してしまう。
　しかしながら、位相補正レンズを更に備えるこの構成によれば、位相補正レンズによって、強度変換レンズからの出力レーザ光の位相を揃えて平面波に補正するので、光変調素子では、多点を形成するための波面変化だけを実現すればよいこととなる。したがって、光変調素子で実現する波面制御量が増加することが無い。
　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ことと、レーザ光の波面を制御することとを簡易に両立することができる。
図１は本発明の第１の比較例に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。 図２は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。 図３はホモジナイザにおける非球面レンズ間の光路特定の概略図である。 図４は強度変換用非球面レンズの形状の一例を示す図である。 図５は位相補正用非球面レンズの形状の一例を示す図である。 図６は強度変換用非球面レンズの出射レーザ光の強度分布を計測するための計測系を示す図である。 図７は強度変換用非球面レンズの入射レーザ光及び出射レーザ光の強度分布の計測結果を示す図である。 図８は本発明の第２の比較例に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。 図９は強度変換用非球面レンズの出射レーザ光の光路特定の概略図である。 図１０は集光レンズの瞳面における強度分布の計測結果を示す図である。 図１１は透明媒質内部の集光特性を撮像するための撮像系を示す図である。 図１２は透明媒質内部の集光特性の撮像結果を示す図である。 図１３は本発明の第１の実施形態に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。 図１４は強度変換用非球面レンズによって生じる波面歪を示す図である。 図１５は強度変換用非球面レンズによる波面変化を利用する場合としない場合との透明媒質内部の集光特性を示す図である。 図１６は本発明の第２の実施形態に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。
　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、本発明の比較例について説明する。まず、第１の比較例では、レーザ光の強度分布を整形するホモジナイザとレーザ光の波面制御を行う空間光変調器（光変調素子：以下、ＳＬＭという。）とを備え、更に、ホモジナイザによって整形された強度分布とＳＬＭによって制御された波面とを共に任意の位置に転像するために２つの結像光学系を備える形態を考案した。
［第１の比較例］
　図１は、本発明の第１の比較例に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。この第１の比較例のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｘは、レーザ光源１２と、空間フィルタ１４と、コリメートレンズ１６と、反射鏡１８，２０，２２と、ホモジナイザ２６と、結像光学系２８，３０Ｘと、プリズム３２と、ＳＬＭ３４と、集光レンズ（集光光学系）３６とを備えている。
　レーザ光源１２は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザである。空間フィルタ１４は、例えば、倍率１０倍の対物レンズと、直径Φ＝５０μｍのピンホールとを備える。コリメートレンズ１６は、例えば、平凸レンズである。このように、レーザ光源１２から出射したレーザ光が空間フィルタ１４及びコリメートレンズ１６を通過することにより、強度分布が同心円状のガウシアン分布に整形されることとなる（図２のＯｉ）。強度分布が整形されたレーザ光は、反射鏡１８によって９０度方向転換されて、ホモジナイザ２６に入射する。
　ホモジナイザ２６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る。ホモジナイザ２６は、一対の非球面レンズ２４，２５を備える。ホモジナイザ２６では、入射側の非球面レンズ２４が、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形する強度変換用非球面レンズとして機能し、出射側の非球面レンズ２５が、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用非球面レンズとして機能する。このホモジナイザ２６では、一対の非球面レンズ２４，２５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２６における一対の非球面レンズ２４，２５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、レーザ加工装置において望まれる空間的に均一な強度分布、すなわち、スーパーガウシアン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、スーパーガウシアン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５．６ｍｍａｔ １/ｅ２、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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 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、スーパーガウシアン分布（次数Ｎ＝８、ω＝２．６５ｍｍ）に設定する。スーパーガウシアン分布は下記（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Ｅ０＝０．６８７に設定することとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 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３に示すように、強度変換用非球面レンズ２４における入射レーザ光Ｏｉの強度分布が位相補正用非球面レンズ２５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、強度変換用非球面レンズ２４の非球面２４ａから位相補正用非球面レンズ２５の非球面２５ａ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、強度変換用非球面レンズ２４の非球面２４ａの形状を求める。具体的には、光路Ｐ１～Ｐ８が得られるように、強度変換用非球面レンズ２４の中心を基準として半径ｒ１方向の各座標における非球面２４ａの高低差を求める。すると、図４に示すように、強度変換用非球面レンズ２４の非球面２４ａの形状が求まる。
　一方、位相補正用非球面レンズ２５の非球面２５ａ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、位相補正用非球面レンズ２５の中心を基準として半径ｒ２方向の各座標における非球面２５ａの高低差を求める。すると、図５に示すように、位相補正用非球面レンズ２５の非球面２５ａの形状が求まる。
　なお、図４及び図５は、非球面レンズ２４，２５の材料としてＣａＦ２（ｎ＝１．４２）を使用し、非球面２４ａの中心位置（座標ｒ１＝０の位置）と非球面２５ａの中心位置（座標ｒ２＝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。
　図１に戻り、ホモジナイザ２６によって所望の強度分布に整形されたレーザ光Ｏｏは、反射鏡２０によって９０度方向転換されて、結像光学系２８に入射する。
　結像光学系２８は、一対のレンズ２８ａ，２８ｂを有し、入射側結像面におけるレーザ光を出射側結像面に結像する。結像光学系２８の入射側結像面は、ホモジナイザ２６の出射面、すなわち、位相補正用非球面レンズ２５の出射面２５ｂに設定されており、出射側結像面は、ＳＬＭ３４の変調面３４ａに設定されている。なお、結像光学系２８は、入射側結像面におけるレーザ光のビーム径をＳＬＭ３４の変調面３４ａの大きさに適合させる拡大光学系もしくは縮小光学系として機能してもよい。これにより、ＳＬＭ３４の変調面３４ａにおける画素領域を有効に利用することが可能となる。結像光学系２８から出力されるレーザ光は、プリズム３２に入射する。
　プリズム３２は、入射するレーザ光を方向転換させて、ＳＬＭ３４に入射させると共に、ＳＬＭ３４からのレーザ光を方向転換させて、結像光学系３０に入射させる。
　ＳＬＭ３４は、例えば、ＬＣＯＳ－ＳＬＭ（Liquid Crystal onSilicon - Spatial Light Modulator）であり、プリズム３２からのレーザ光の位相を変調して波面制御を行う。例えば、集光レンズ３６で集光したレーザ光によって透明媒質内部の加工を行う場合、透明媒質内部で生じる球面収差を補正する補正波面を設定する。
　結像光学系３０Ｘは、一対のレンズ３０Ｘａ，３０Ｘｂを有し、入射側結像面におけるレーザ光を出射側結像面に結像する。結像光学系３０Ｘの入射側結像面は、ＳＬＭ３４の変調面３４ａに設定されており、出射側結像面は、集光レンズ３６の瞳面３６ａに設定されている。本形態では、レンズ３０Ｘａ，３０Ｘｂの間に反射鏡２２が配置されている。なお、結像光学系３０Ｘは、入射側結像面におけるレーザ光のビーム径を集光レンズ３６の瞳面３６ａの瞳径に適合させる拡大光学系もしくは縮小光学系として機能してもよい。これにより、レーザ光を集光レンズ３６へ効率的に導くことが可能となる。
　集光レンズ３６は、結像光学系３０Ｘからのレーザ光を所望の位置、例えば透明媒質内部の加工位置に集光する。
　この第１の比較例のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｘによれば、ホモジナイザ２６によって整形された強度分布を、結像光学系２８，３０Ｘによって集光レンズ３６の瞳面３６ａに厳密に転像することができ、ＳＬＭ３４によって制御された波面を、結像光学系３０Ｘによって集光レンズ３６の瞳面３６ａに厳密に転像することができる。したがって、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することと、レーザ光の波面を制御することとを両立することが可能となる。
　ここで、ホモジナイザ２６における強度変換用非球面レンズ２４からの出射レーザ光の空間モード（強度分布）を、図６に示すように、結像レンズ系４１を介してビームプロファイラ４２によって計測した。また、結像レンズ系４１及びビームプロファイラ４２によって、強度変換用非球面レンズ２４への入射レーザ光の空間モード（強度分布）も計測した。これらの計測結果を図７に示す。
　図７（ａ）は、強度変換用非球面レンズ２４への入射レーザ光の空間モード（強度分布）の計測結果であり、図７（ｂ）～（ｆ）は、強度変換用非球面レンズ２４からの出射レーザ光がそれぞれ５０ｍｍ～１７０ｍｍ伝搬した後の空間モード（強度分布）の計測結果である。これより、強度変換用非球面レンズ２４によれば、レンズ間隔設計値であるＬ＝１６５ｍｍ程度伝播後に、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布、すなわちスーパーガウシアン分布にほぼ設計通りに整形できることが確認された。
　また、レンズ間隔設計値Ｌ＝１６５ｍｍから外れたからといって、強度分布が急激に変化するわけではないことが確認された。この結果は、強度変換用非球面レンズ２４によって所望の強度分布が得られる位置と、結像光学系の入射側結像面とを厳密に一致させなくても、強度変換用非球面レンズ２４によって整形された強度分布を、結像光学系によって任意の位置に転像可能であることを示している。
　そこで、第２の比較例では、第１の比較例においてホモジナイザにおける位相補正用非球面レンズを備えない形態を考案した。
［第２の比較例］
　図８は、本発明の第２の比較例に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。この第２の比較例のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙは、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｘにおいてホモジナイザ２６に代えて強度変換用非球面レンズ２４のみを備える構成で第１の比較例と異なっている。第２の比較例のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙのその他の構成は、第１の比較例のレーザ光整形及び波面制御用光学系１と同一である。
　強度変換用非球面レンズ２４は、上述したように、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、非球面２４ａ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。
　例えば、図９に示すように、強度変換用非球面レンズ２４における入射レーザ光Ｏｉの強度分布（上述したように、ガウシアン分布）が所望の面２４ｘにおいて所望の強度分布（上述したように、スーパーガウシアン分布）を有する出射レーザ光Ｏｏとなるように、強度変換用非球面レンズ２４の非球面２４ａから所望の面２４ｘ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、上述したように、求めた光路Ｐ１～Ｐ８に基づいて、強度変換用非球面レンズ２４の非球面２４ａの形状を求める。具体的には、光路Ｐ１～Ｐ８が得られるように、強度変換用非球面レンズ２４の中心を基準として半径ｒ１方向の各座標における非球面２４ａの高低差を求める。すると、図４に示すように、強度変換用非球面レンズ２４の非球面２４ａの形状が求まる。なお、図４は、非球面２４ａの中心位置（座標ｒ１＝０の位置）と所望の面２４ｘとの間隔をＬ＝１６５ｍｍとして設計したときの一例である。
　図８に戻り、結像光学系２８の入射側結像面は、強度変換用非球面レンズ２４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面２４ｘに設定されている。
　この第２の比較例のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙによれば、強度変換用非球面レンズ２４によって整形された強度分布であって所望の面２４ｘにおける強度分布を、結像光学系２８，３０Ｘによって集光レンズ３６の瞳面３６ａに厳密に転像することができ、ＳＬＭ３４によって制御された波面を、結像光学系３０Ｘによって集光レンズ３６の瞳面３６ａに厳密に転像することができる。したがって、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することと、レーザ光の波面を制御することとを両立することが可能となる。
　ここで、第２の比較例のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙにおいて、集光レンズ３６の瞳面３６ａ上の空間モード（強度分布）を、結像レンズ系４１を介してビームプロファイラ４２を用いて計測した。この計測結果を図１０に示す。これによれば、上述したように、強度変換用非球面レンズ２４によって整形された強度分布であって所望の面２４ｘにおける強度分布を、結像光学系２８，３０Ｘによって集光レンズ３６の瞳面３６ａに転像できることが確認された。
　また、図１１に示すように、第２の比較例のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙにおいて、集光レンズ３６の集光部に透明材料５０を配置し、透明材料５０内部の集光特性を側面からレンズ５１を介してＣＣＤカメラ５２で撮像した。図１２は、ＳＬＭ３４による波面制御によって球面収差を補正した場合の撮像結果であり、これによれば、１枚の非球面レンズ２４によって整形された強度分布を転像する場合にも、波面制御が有効に機能することが確認された。
　ここで、上述したように、強度変換用非球面レンズ２４によって整形された強度分布は、設計値から外れたからといって急激に変化するわけではない。また、ＳＬＭ３４によって制御された波面も用途によっては厳密に転像する必要はない。
　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ことと、レーザ光の波面を制御することとを簡易に両立することが可能なレーザ光整形及び波面制御用光学系を考案する。
［第１の実施形態］
　図１３は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ光整形及び波面制御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及び波面制御用光学系１は、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙにおいて２つの結像光学系２８，３０Ｘに代えて１つの結像光学系３０を備えている構成で第２の比較例と異なっている。第１の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１のその他の構成は、第２の変形例のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙと同一である。
　結像光学系３０は、一対のレンズ３０ａ，３０ｂを有し、入射側結像面におけるレーザ光を出射側結像面に結像する。結像光学系３０の出射側結像面は、結像光学系３０Ｘと同様に、集光レンズ３６の瞳面３６ａに設定されている。そして、結像光学系３０は、強度変換用非球面レンズ２４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所望の面２４ｘとＳＬＭ３４の変調面３４ａとの間に入射側結像面が設定されている点で結像光学系３０Ｘと異なっている。本実施形態でも、レンズ３０ａ，３０ｂの間に反射鏡２２が配置されている。なお、結像光学系３０も、入射側結像面におけるレーザ光のビーム径を集光レンズ３６の瞳面３６ａの瞳径に適合させる拡大光学系もしくは縮小光学系として機能してもよい。これにより、上述してように、レーザ光を集光レンズ３６へ効率的に導くことが可能となる。
　この第１の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１によれば、結像光学系３０が、強度変換用非球面レンズ２４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所望の面２４ｘとＳＬＭ３４の変調面３４ａとの間に入射側結像面を有するので、強度変換用非球面レンズ２４によって整形された所望の強度分布と、ＳＬＭ３４によって制御された波面とを共に集光レンズ３６の瞳面３６ａに転象することができる。したがって、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することと、レーザ光の波面を制御することとを簡易に両立することが可能となる。
　また、第１の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１によれば、レーザ光の強度分布を均一化させることによって集光レンズ３６の実効的なＮＡを向上させることができ、以下に詳説するように、強度変換時に生じる波面変化を利用すると球面収差を補正することが可能となる。
　ここで、強度変換用非球面レンズ２４は、入射レーザ光の強度分布を整形するものであるが、同時に入射レーザ光の波面（換言すれば、入射レーザ光の位相）も変化させることとなる。第１の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１では、この強度変換用非球面レンズ２４による波面の変化を利用することにより、ＳＬＭ３４のみで波面制御を行う場合に比べて、波面制御分解能を向上させることが可能となる。以下では、この作用効果について検証する。
　図１４は、強度変換用非球面レンズによって生じる波面歪を示す図である。曲線Ａは、強度変換用非球面レンズ２４によって生じる波面歪であり、曲線Ｂは、ＮＡ＝０．８、焦点距離ｆ＝４ｍｍの対物レンズを用いて合成石英中の深さ１．５ｍｍの位置にレーザ光を集光させる場合に生じる球面収差を補正するために必要とされる補正波面である。このように、両者の波面は類似しているので、強度変換用非球面レンズによって生じる波面変化によって球面収差を補正することが可能となる。
　これより、ＳＬＭ３４では、強度変換用非球面レンズ２４によって生じる波面と球面収差を補正させるために必要とされる補正波面とが一致しない量だけ波面補正を行えばよいこととなる。その結果、ＳＬＭ３４だけで球面収差を補正する場合に比べて、波面制御分解能を格段に向上させることが可能となる。
　次に、強度変換用非球面レンズ２４による波面変化を利用した場合の透明材料内部の集光特性を観測した。図１５（ａ）は、第１の比較例、すなわち、強度変換用非球面レンズ２４による波面変化を位相補正用非球面レンズ２５によって補正してしまう場合の透明材料内部の集光特性を示す図であり、図１５（ｂ）は、第２の比較例、すなわち、強度変換用非球面レンズ２４による波面変化を利用する場合の透明材料内部の集光特性を示す図である。図１５（ａ）及び（ｂ）では、強度変換用非球面レンズによる球面収差補正効果を明確にするために、ＳＬＭ３４による波面補正は行わないものとする。本観測では、図１１と同様に、集光レンズ３６の集光部に透明材料５０を配置し、透明材料５０内部の集光特性を側面からレンズ５１を介してＣＣＤカメラ５２で撮像した。これより、強度変換用非球面レンズを単独で用いることによって、球面収差による集光部の歪が改善することが確認された。
［第２の実施形態］
　図１６は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ光整形及び波面制御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及び波面制御用光学系１Ａは、レーザ光整形及び波面制御用光学系１において強度変換用非球面レンズ２４に代えてホモジナイザ２６を備える構成で第１の実施形態と異なっている。すなわち、第２の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ａは、レーザ光整形及び波面制御用光学系１において更に位相補正用非球面レンズ２５を備える構成で第１の実施形態と異なっている。第２の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ａのその他の構成は、第１の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１と同一である。
　位相補正用非球面レンズ２５は、上述したように、強度変換用非球面レンズ２４によって整形されたレーザ光の位相を揃えて平面波に補正するものであり、強度変換用非球面レンズ２４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所望の面２４ｘに配置されている。
　この第２の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ａでも、第１の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１と同様に、強度変換用非球面レンズ２４によって整形された所望の強度分布と、ＳＬＭ３４によって制御された波面とを共に集光レンズ３６の瞳面３６ａに転象することができる。したがって、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することと、レーザ光の波面を制御することとを簡易に両立することが可能となる。
　ここで、上述したように、位相補正用非球面レンズ２５を備えず強度変換用非球面レンズ２４のみを備える第１の実施形態では、強度変換用非球面レンズ２４による波面変化を利用することができ、球面収差の補正に対して有効であった。しかしながら、材料の表面を多点加工する場合のように球面収差の補正が必要とされない場合には、位相補正用非球面レンズ２５を更に備える第２の実施形態が有効である。材料の表面を多点加工する場合、強度変換用非球面レンズ２４のみを用いる第１の実施形態を適用すると、ＳＬＭ３４では、強度変換用非球面レンズ２４によって生じる波面変化を補正すると共に、多点を形成するための波面変化を制御する必要がある。そのため、ＳＬＭ３４で実現する波面制御量が増加してしまう。
　しかしながら、位相補正用非球面レンズ２５を更に備える第２の実施形態によれば、位相補正用非球面レンズ２５によって、強度変換用非球面レンズ２４からの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正するので、ＳＬＭ３４では、多点を形成するための波面変化だけを実現すればよいこととなる。したがって、ＳＬＭ３４で実現する波面制御量が増加することが無い。
　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、ＳＬＭで制御できる波面（位相変調量）は有限であるので、位相変調量が大きい場合には、ＳＬＭの分解能が不足して所望の波面を十分に実現することが困難となる。この場合、本実施形態では、ＳＬＭ３４において、２πもしくは２πの偶数倍で折り返し表示させてもよい。
　また、第１の実施形態では、強度変換用非球面レンズ２４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所望の面２４ｘが、ＳＬＭ３４の変調面３４ａに設計されてもよい。この場合、結像光学系３０の入射側結像面をＳＬＭ３４の変調面３４ａに設定することにより、強度変換用非球面レンズ２４によって整形されたＳＬＭ３４上の強度分布とＳＬＭ３４によって制御された波面とを共に、集光レンズ３６の瞳面３６ａ上に厳密に転像させることが可能となる。
　また、第１の実施形態では、比較例における結像光学系２８による拡大光学系としての機能を強度変換用非球面レンズ２４が備えていてもよい。すなわち、強度変換用非球面レンズ２４が、レーザ光のビーム径をＳＬＭ３４の変調面３４ａの大きさに適合させるように拡大する機能を備えてもよい。これにより、ＳＬＭ３４の変調面３４ａにおける画素領域を有効に利用することが可能となる。
　また、第１の実施形態では、強度変換用非球面レンズ２４の設計次第では所望の球面収差補正に必要とされるビーム径（波面）を強度変換用非球面レンズ２４単独で実現する事が可能な場合もある。一方で、強度変換用非球面レンズ２４単独で所望の球面収差補正に必要とされるビーム径（波面）を実現することが困難な場合には、強度変換用非球面レンズ２４の入射レーザ光のビーム径と出射レーザ光（強度変換後のレーザ光）のビーム径とを適切な値とする必要がある。このためには、強度変換用非球面レンズ２４の前段に拡大光学系、もしくは縮小光学系を配置すればよい。
　一方、第１の実施形態において、強度変換用非球面レンズ２４からの出射レーザ光をＳＬＭ３４によって積極的に波面制御を行う場合、被変調光とＳＬＭ３４の変調面３４ａの大きさとを適合させることにより、ＳＬＭ３４の画素領域を有効に利用することが可能となる。このためには、強度変換用非球面レンズ２４の前段に拡大光学系、もしくは縮小光学系を配置すればよい。
　レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することと、レーザ光の波面を制御することとを簡易に両立する用途に適用することができる。
　１，１Ａ，１Ｘ，１Ｙ　レーザ光整形及び波面制御用光学系
　１２　レーザ光源
　１４　空間フィルタ
　１６　コリメートレンズ
　１８，２０，２２　反射鏡
　２４　強度変換用非球面レンズ（強度変換レンズ）
　２４ｘ　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面
　２５　位相補正用非球面レンズ（位相補正レンズ）
　２６　ホモジナイザ
　２８，３０，３０Ｘ　結像光学系
　３２　プリズム
　３４　空間光変調器（ＳＬＭ：光変調素子）
　３４ａ　変調面
　３６　集光レンズ（集光光学系）
　３６ａ　瞳面
　４１　結像レンズ系
　４２　ビームプロファイラ
　５０　透明材料
　５１　レンズ
　５２　ＣＣＤカメラ

Claims (3)

  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を変調して波面制御を行う光変調素子と、
    　前記光変調素子からの出力レーザ光を集光する集光光学系と、
    　前記光変調素子と前記集光光学系との間に配置され、前記強度変換レンズからの出射レーザ光の強度分布が前記所望の強度分布に分布する面と前記光変調素子の変調面との間に入射側結像面を有し、前記集光光学系に出射側結像面を有する結像光学系と、
    を備える、レーザ光整形及び波面制御用光学系。
  2. 　前記強度変換レンズからの出射レーザ光の強度分布が前記所望の強度分布に分布する面が、前記光変調素子の変調面に位置し、
    　前記結像光学系は、前記光変調素子の変調面に入射側結像面を有する、
    請求項１に記載のレーザ光整形及び波面制御用光学系。
  3. 　前記強度変換レンズからの出射レーザ光の強度分布が前記所望の強度分布に分布する面に配置され、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を更に備える、
    請求項１に記載のレーザ光整形及び波面制御用光学系。
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