JP2012037572A - レーザ光整形及び波面制御用光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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。
【選択図】図１３

Description

本発明は、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形すると共に、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。

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。 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。 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。 強度変換用非球面レンズの形状の一例を示す図である。 位相補正用非球面レンズの形状の一例を示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 透明媒質内部の集光特性の撮像結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。 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。 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。 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５．６ｍｍ ａｔ １/ｅ^２、ω＝２．０ｍｍ）である。ガウシアン分布は下記（１）式により表されるので、入射レーザ光Ｏｉの半径６ｍｍの範囲内のエネルギーは下記（２）式となる。


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

一方、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布は、図２に示すように、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Ｅ_０＝０．６８７に設定することとなる。


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

その後、図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ｒ_１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ｒ_２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ＣａＦ_２（ｎ＝１．４２）を使用し、非球面２４ａの中心位置（座標ｒ_１＝０の位置）と非球面２５ａの中心位置（座標ｒ_２＝０の位置）との間隔をＬ＝１６５ｍｍとして設計したときの一例である。

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することが好ましい。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することが好ましい。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ｒ_１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ｒ_１＝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することが好ましい。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。

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。