レーザ光整形及び波面制御用光学系
【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両立するレーザ光整形及び波面制御用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制するレーザ光整形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１１と、強度変換レンズ１１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１２と、強度変換レンズ１１と光変調素子１２との間に配置され、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光を拡大又は縮小する拡大縮小光学系２０とを備える。
【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１１と、強度変換レンズ１１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１２と、強度変換レンズ１１と光変調素子１２との間に配置され、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光を拡大又は縮小する拡大縮小光学系２０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
この点に関し、特許文献１には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布（例えば、トップハット型の強度分布）に整形するレーザ光整形用光学系として、強度変換レンズと位相補正レンズから構成される非球面レンズ型のホモジナイザを備えるものが開示されている。この特許文献１に開示のレーザ光整形用光学系は、強度変換レンズと位相補正レンズの位置ずれに起因する強度分布の不均一を抑制するために、ホモジナイザの下流側に結像光学系（転写レンズ系）を備えている。
【０００４】
また、特許文献２には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布に整形するレーザ光整形用光学系として、上記した非球面レンズ型のホモジナイザ、又は、回折型光学部品（Diffractive Optical Element：ＤＯＥ）から構成される回折型のホモジナイザ等を備えるものが開示されている。この特許文献２に開示のレーザ光整形用光学系は、ホモジナイザの下流側に、対物レンズとこの対物レンズの後方に配置された結像レンズとから構成される結像光学系を備えている。そして、このレーザ光整形用光学系では、その全長を短縮するために、対物レンズは、ホモジナイザの焦点面の手前に配置され、負の焦点距離を有する。
【０００５】
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。
【０００６】
この点に関し、特許文献３及び４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３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。
【０００７】
ここで、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ためには、特許文献１又は２に開示の光学系に特許文献３又は４に記載のＳＬＭを適用することが考えられる。この場合、ＳＬＭの変調効率を高めるためには、レーザ光の大きさが変調面の大きさと略等しくなるように、レーザ光を拡大又は縮小することが好ましい。
【０００８】
この点に関し、特許文献１及び２に開示のレーザ光整形用光学系では、ホモジナイザの後段に設けられた結像光学系によって、容易にレーザ光の拡大又は縮小を行うことが可能と考えられる。すなわち、ホモジナイザの後段にＳＬＭを配置し、ホモジナイザとＳＬＭとの間に結像光学系を配置することが考えられる。この場合、結像光学系の入射側結像面をホモジナイザの出射面に設定し、出射側結像面をＳＬＭの変調面に設定することが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−３１０３６８号公報
【特許文献２】特開２００７−１１４７４１号公報
【特許文献３】特開２００９−０３４７２３号公報
【特許文献４】特開２０１０−０７５９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、ホモジナイザとＳＬＭとの間に拡大縮小光学系を配置すると、部品点数が多くなってしまうという問題や、光路長が長くなってしまうという問題が生じる。
【００１１】
この点に関し、本願発明者らは、ホモジナイザにおける位相補正レンズを削減して、位相補正をＳＬＭによって行うことを試みた。また、強度変換レンズのみによって、レーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立することを試みた。
【００１２】
しかしながら、以下のような新たな問題が発生した。すなわち、強度変換レンズのみによって、レーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立すると、強度変換レンズの非球面の形状が複雑になってしまうと共に、強度変換レンズの面積及び非球面の高低差が大きくなってしまった。その結果、強度変換レンズの製作に要する加工時間が増加してしまい、製造コストの増加や加工精度の低下が生じてしまう。また、この種の強度変換レンズは、実装スペースが制限される既存の光学系には適用できない可能性がある。
【００１３】
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両立するレーザ光整形及び波面制御用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制するレーザ光整形及び波面制御用光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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、強度変換レンズと光変調素子との間に配置され、強度変換レンズからの出射レーザ光を拡大又は縮小する拡大縮小光学系とを備える。
【００１５】
このレーザ光整形及び波面制御用光学系によれば、強度変換レンズと光変調素子との間に配置された拡大縮小光学系によってレーザ光の拡大又は縮小を行うので、強度変換レンズはレーザ光の強度分布の整形のみを行えばよい。したがって、強度変換レンズの非球面の高低差の増加を抑制することができ、強度変換レンズの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
【００１６】
上記した拡大縮小光学系は、一対の凸レンズにより構成されてもよいし、一対の凹レンズ及び凸レンズにより構成されてもよい。この構成によれば、一対のレンズの焦点距離に応じて、レーザ光を任意の大きさに拡大又は縮小することができる。
【００１７】
ここで、実用化を考慮した場合、一対の凸レンズにより構成される拡大縮小光学系では、一旦ビームを集光（クロス）した後に拡大又は縮小することとなるので、光路長が長くなると共に、集光点（クロス点）で空気破壊が発生することがある。また、光学設計上、拡大縮小光学系内に別の光学素子（モニタ等のための反射板等）を配置する必要が生じた場合、集光点付近では光強度が非常に強く、光学素子が損傷する可能性があるため、拡大縮小光学系内に光学素子を配置することができない。
【００１８】
一方、一対の凹レンズ及び凸レンズにより構成される拡大縮小光学系によれば、集光点（クロス点）が存在しないので、光路長を短くすることができ、かつ、集光点での空気破壊が発生することがない。また、拡大縮小光学系内に別の光学素子を配置しても光学素子が損傷しないので、光学設計の自由度が高いという利点があり、更なる小型化が可能である。
【００１９】
上記した光変調素子の変調面は、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位置することが好ましい。強度変換レンズ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ので、光変調素子の変調面は、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厳密に一致させなくてもよい。しかしながら、この構成によれば、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、光変調素子の変調面が厳密に一致するので、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厳密に両立することができる。
【発明の効果】
【００２０】
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両立するレーザ光整形及び波面制御用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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】第１の比較例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】強度変換レンズの形状の一例を示す図である。
【図４】第１の比較例における入射レーザ光の強度分布の一例を示す図である。
【図５】第１の比較例における出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。
【図６】強度変換レンズの形状の一例を示す図である。
【図７】第１の比較例における出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。
【図８】強度変換レンズの形状の一例を示す図である。
【図９】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１０】第１の実施例の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１１】入射レーザ光の強度分布の計測結果を示す図である。
【図１２】第１の実施例の強度変換レンズの形状の設計結果を示す図である。
【図１３】第１の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図１４】第１の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図１５】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１６】第２の比較例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図１７】第２の比較例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態（第２の実施例）に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。
【図１９】第２の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図２０】第２の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図２１】本発明の第３の実施形態（第３の実施例）に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。
【図２２】第３の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図２３】第３の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図２４】本発明の第４の実施形態（第４の実施例）に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。
【図２５】第４の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図２６】第４の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図２７】変形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。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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強度変換レンズ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。）とを備える形態を考案した。すなわち、上述したように、ホモジナイザ−結像光学系−ＳＬＭから構成され、ＳＬＭの変調効率を高めるために、レーザ光の大きさが変調面の大きさと略等しくなるように、結像光学系によってレーザ光の拡大又は縮小を行うレーザ光整形及び波面制御用光学系において、ホモジナイザにおける位相補正レンズを削減して位相補正をＳＬＭによって行い、また、強度変換レンズのみによってレーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立するレーザ光整形及び波面制御用光学系を考案した。
【００２４】
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、強度変換レンズ１１ＸとＳＬＭ１２Ｘとを備える。
【００２５】
強度変換レンズ１１Ｘは、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００２６】
ＳＬＭ１２Ｘは、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（Liquid Crystal onSilicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１Ｘ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、後段に配置される集光レンズ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。
【００２７】
また、ＳＬＭ１２Ｘは、ホモジナイザの位相補正レンズと同様に、強度変換レンズ１１Ｘからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２Ｘが配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。
【００２８】
以下では、強度変換レンズ１１Ｘの非球面の形状設計の一例を例示する。例えば、所望の強度分布を、レーザ加工装置や、光ピンセット、高解像度顕微鏡等において望まれる空間的に均一な強度分布、すなわち、均一強度分布に設定することとする（図２のＯｏ）。ここで、所望の強度分布は、出射レーザ光Ｏｏのエネルギー（所望の強度分布の面積）が入射レーザ光Ｏｉのエネルギー（強度分布の面積）と等しくなるように設定される必要がある。よって、例えば、均一強度分布の設定は以下のように行えばよい。
【００２９】
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/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。
【数１】
【数２】
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。
【００３０】
一方、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布は、図２に示すように、均一強度分布（次数Ｎ＝８、ω＝２．６５ｍｍ）に設定する。均一強度分布は下記（３）式により表されるので、下記（４）式のように出射レーザ光Ｏｏの半径６ｍｍの範囲内のエネルギーが入射レーザ光Ｏｉのエネルギーに等しくなるためには、出射レーザ光Ｏｏの強度均一部の値はＥ０＝０．６８７に設定することとなる。
【数３】
【数４】
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。
【００３１】
その後、図１に示すように、強度変換レンズ１１Ｘにおける入射レーザ光Ｏｉの強度分布がＳＬＭ１２Ｘにおいて所望の強度分布を有する出射レーザ光Ｏｏとなるように、すなわち、入射レーザ光Ｏｉにおける中央付近の強い強度の光が周辺部に拡散され、周辺部の弱い強度の光が収束されるように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａからＳＬＭ１２Ｘの変調面１２ａへの光路であって、非球面レンズの半径方向の任意の座標における光路Ｐ１〜Ｐ８を求める。
【００３２】
その後、求めた光路Ｐ１〜Ｐ８に基づいて、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状を求める。具体的には、光路Ｐ１〜Ｐ８が得られるように、強度変換レンズ１１Ｘの中心を基準として半径ｒ１方向の各座標における非球面１１ａの高低差を求める。すると、図３に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まる。
【００３３】
なお、図３は、非球面レンズ１１Ｘの材料としてＣａＦ２（ｎ＝１．４２）を使用し、非球面１１ａの中心位置（座標ｒ１＝０の位置）とＳＬＭ１２Ｘの変調面１２ａとの間隔をＬ＝１６５ｍｍとして設計したときの一例である。
【００３４】
ところで、本願発明者らの考案によれば、上記した非球面の形状設計において、レーザ光のビーム径の拡大又は縮小をも考慮することにより、強度変換レンズ１１Ｘのみによって、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形すると共に、ビーム径を所望の大きさに拡大又は縮小した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。
【００３５】
例えば、図４に示すように、同心円状のガウシアン分布（波長１０６４ｎｍ、ビーム径１．４４ｍｍａｔ １/ｅ２）である強度分布を有する入射レーザ光Ｏｉを、図５に示すように、均一強度分布（次数６、ビーム径２．４８２ｍｍａｔ １/ｅ２）に整形すると共に、ビーム径を拡大した出射レーザ光Ｏｏを生成することとする。この場合、上記した非球面の形状設計に従うと、図６に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まる。
【００３６】
また、例えば、図４に示すガウシアン状の強度分布を有する入射レーザ光Ｏｉを、図７に示すように、均一強度分布（次数６、ビーム径１２．４１ｍｍａｔ１/ｅ２）に整形すると共に、ビーム径を更に拡大した出射レーザ光Ｏｏを生成することとする。この場合、上記した非球面の形状設計に従うと、図８に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まる。
【００３７】
なお、図６及び図８は、非球面レンズ１１Ｘの材料としてＭｇＦ２（ｎ＝１．３７７）を使用し、非球面１１ａの中心位置（座標ｒ１＝０の位置）とＳＬＭ１２Ｘの変調面１２ａとの間隔をＬ＝１００ｍｍとして設計したときの一例である。
【００３８】
図６及び図８では、非球面の高低差の相違を明確化するために、縦軸の基準（高さ０μｍの位置）が非球面レンズ１１Ｘの中心（座標ｒ１＝０の位置）と異なる。
【００３９】
図６及び図８によれば、ビーム径を１２．４１／２．４８２＝５倍に拡大しようとすると、強度変換レンズ１１Ｘの加工量が体積比で約３４倍に増加してしまう。このように、強度変換レンズの拡大又は縮小の倍率を大きく設定すると、換言すれば、強度変換レンズのみによってレーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立しようとすると、強度変換レンズの面積及び非球面の高低差が大きくなってしまい、強度変換レンズの非球面の加工量が増加してしまう。その結果、強度変換レンズの製作に要する加工時間が増加してしまい、製造コストの増加が生じてしまう。
【００４０】
また、強度変換レンズのみによってレーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立しようとすると、ビーム径を拡大又は縮小させるための成分に対して強度分布を均一化させるための成分の割合が減少するので、拡大又は縮小倍率によってはビーム径を拡大又は縮小させる作用が支配的となり、強度分布を均一化させる作用を十分に得ることができない可能性がある。
【００４１】
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両立するレーザ光整形及び波面制御用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制するレーザ光整形及び波面制御用光学系を考案する。
［第１の実施形態］
【００４２】
図９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、強度変換レンズ１１と、ＳＬＭ１２と、強度変換レンズ１１とＳＬＭ１２の間に配置される拡大光学系２０とを備えている。
【００４３】
強度変換レンズ１１は、上記した強度変換レンズ１１Ｘと同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００４４】
ＳＬＭ１２は、上記したＳＬＭ１２Ｘと同様に、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（LiquidCrystal on Silicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１からのレーザ光の位相を変調して波面制御を行う。詳説すれば、ＳＬＭ１２は、強度変換レンズ１１によって強度分布が整形された後に、後述する拡大光学系２０によってビーム径が拡大されたレーザ光の位相を変調して波面制御を行うこととなる。例えば、後段に配置される集光レンズ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。
【００４５】
また、ＳＬＭ１２は、上記したＳＬＭ１２Ｘと同様に、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２が配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。強度変換レンズ１１とＳＬＭ１２との間には、拡大光学系２０が配置されている。
【００４６】
拡大光学系２０は、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光のビーム径を拡大するためのものであり、一対の凸レンズ２１，２２を備える。凸レンズ２１は、強度変換レンズ１１側に配置され、入射面が凸状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凸レンズ２２は、ＳＬＭ１２側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凸状形状をなしている。この拡大光学系２０では、一対の凸レンズ２１，２２の間に集光点が存在する。拡大光学系２０は、一対の凸レンズ２１，２２それぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに拡大することができる。
【００４７】
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、強度変換レンズ１１とＳＬＭ１２との間に配置された拡大光学系２０によってレーザ光の拡大を行うので、強度変換レンズ１１はレーザ光の強度分布の整形のみを行えばよい。したがって、強度変換レンズ１１の非球面の高低差の増加を抑制することができ、強度変換レンズ１１の加工時間の増加を抑制することが可能となる。
（第１の実施例）
【００４８】
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を第１の実施例として設計した。この第１の実施例では、図１０に示すように、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１へ入射することとする。
【００４９】
レーザ光源３０には、波長１０６４ｎｍのファイバーレーザを用い、エキスパンダ４０には、一対の凹レンズ４１と凸レンズ４２とから構成されるものを用いた。本実施例では、エキスパンダ４０によって、レーザ光源３０からのレーザ光を、図１１に示すように７．１２ｍｍまで拡大したレーザ光Ｏｉを生成した。図１１によれば、レーザ光整形及び波面制御用光学系１へ入射するレーザ光Ｏｉの強度分布は、同心円状のガウシアン分布である。
【００５０】
そして、上記した非球面の形状設計と同様に、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状を図１２に示すように求めた。なお、強度変換レンズ１１の材質としてＭｇＦ２（ｎ＝１．３７７）を使用し、拡大光学系２０が無い状態での非球面１１ａの中心位置と変調面１２ａとの間隔をＬ＝２１５ｍｍと設定し、これに拡大光学系２０を挿入することによる光路変更を考慮して設計した。図１２では、非球面の高低差の相違を明確化するために、縦軸の基準（高さ０μｍの位置）が強度変換レンズ１１Ｘの中心（半径０ｍｍの位置）と異なる。
【００５１】
拡大光学系２０には、材質ＢＫ７、厚み４．６ｍｍ、焦点距離４１ｍｍの集光レンズ２１と、材質ＢＫ７、厚み３．６ｍｍ、焦点距離６１．５ｍｍの集光レンズ２２とを用いた。
【００５２】
すると、図１３に示すように、強度変換レンズ１１から５３０ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１から５３０ｍｍの位置において、図１４に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２では、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
（第２の比較例）
【００５３】
また、図１５に示すレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙを第２の比較例として設計した。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１において拡大光学系２０を備えない点で第１の実施例と異なる。
【００５４】
第２の比較例でも、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ｙの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である。
【００５５】
すると、図１６に示すように、強度変換レンズ１１Ｙから２１５ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１Ｙから２１５ｍｍの位置において図１７に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２では、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
（比較検証）
【００５６】
ＳＬＭ１２，１２Ｙにおける強度分布（図１３、１６）、及び、波面（図１４、１７）をそれぞれ比較すると、第１の実施例によれば、強度変換レンズ１１とＳＬＭ１２との間に拡大光学系２０を配置することにより、拡大光学系２０の拡大率に相当する６１．５/４１=１．５倍程度にレーザ光を拡大することができた。
【００５７】
そして、このようにレーザ光を拡大するために、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した（図１５）。これより、第１の実施例によれば、強度変換レンズ１１の加工時間の増加を抑制することが可能となる。
［第２の実施形態］
【００５８】
図１８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、強度変換レンズ１１Ａと、ＳＬＭ１２Ａと、強度変換レンズ１１ＡとＳＬＭ１２Ａの間に配置される拡大光学系２０Ａとを備えている。
【００５９】
強度変換レンズ１１Ａは、上記した強度変換レンズ１１と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００６０】
ＳＬＭ１２Ａは、上記したＳＬＭ１２と同様に、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（LiquidCrystal on Silicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１Ａからのレーザ光の位相を変調して波面制御を行う。詳説すれば、ＳＬＭ１２Ａは、強度変換レンズ１１Ａによって強度分布が整形された後に、後述する拡大光学系２０Ａによってビーム径が拡大されたレーザ光の位相を変調して波面制御を行うこととなる。例えば、後段に配置される集光レンズ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。
【００６１】
また、ＳＬＭ１２Ａは、上記したＳＬＭ１２と同様に、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２Ａが配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。強度変換レンズ１１ＡとＳＬＭ１２Ａとの間には、拡大光学系２０Ａが配置されている。
【００６２】
拡大光学系２０Ａは、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光のビーム径を拡大するためのものであり、一対の凹レンズ２１Ａ及び凸レンズ２２Ａを備える。凹レンズ２１Ａは、強度変換レンズ１１Ａ側に配置され、入射面が凹状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凸レンズ２２Ａは、ＳＬＭ１２Ａ側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凸状形状をなしている。この拡大光学系２０Ａでは、一対の凹レンズ２１Ａ及び凸レンズ２２Ａの間に集光点が存在しない。拡大光学系２０Ａは、一対の凹レンズ２１Ａ及び凸レンズ２２Ａそれぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに拡大することができる。
【００６３】
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と同様の利点を得ることができる。
【００６４】
ところで、実用化を考慮した場合、第１の実施形態における拡大光学系２０では、一旦ビームを集光（クロス）した後に拡大することとなるので、光路長が長くなると共に、集光点（クロス点）で空気破壊が発生することがある。また、光学設計上、拡大光学系内に別の光学素子（モニタ等のための反射板等）を配置する必要が生じた場合、集光点付近では光強度が非常に強く、光学素子が損傷する可能性があるため、拡大光学系内に光学素子を配置することができない。
【００６５】
しかしながら、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によれば、拡大光学系２０Ａが凹レンズ２１Ａと凸レンズ２２Ａで構成されているので、集光点（クロス点）が存在しない。その結果、光路長を短くすることができ、かつ、集光点での空気破壊が発生することがない。また、拡大光学系内に別の光学素子を配置しても光学素子が損傷しないので、光学設計の自由度が高いという利点があり、更なる小型化が可能である。
（第２の実施例）
【００６６】
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を第２の実施例として設計した。この第２の実施例でも、図１０と同様に、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ａへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ａの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である（図１５）。
【００６７】
拡大光学系２０Ａには、材質ＢＫ７、厚み２ｍｍ、焦点距離１０２．４ｍｍの拡散レンズ２１Ａと、材質ＢＫ７、厚み３ｍｍ、焦点距離１５３．７ｍｍの集光レンズ２２Ａとを用いた。
【００６８】
すると、図１９に示すように、強度変換レンズ１１Ａから４３１．６ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１Ａから４３１．６ｍｍの位置において図２０に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２Ａでは、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
【００６９】
この第２の実施例でも、強度変換レンズ１１ＡとＳＬＭ１２Ａとの間に拡大光学系２０Ａを配置することにより、拡大光学系２０Ａの拡大率に相当する６１．５/４１=１．５倍程度にレーザ光を拡大することができた。
【００７０】
そして、このようにレーザ光を拡大するために、強度変換レンズ１１Ａの非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した。これより、強度変換レンズ１１Ａの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
【００７１】
更に、第１の実施例では、強度変換レンズ１１から５３０ｍｍの位置で均一な強度分布を得たのに対し、第２の実施形態では、強度変換レンズ１１Ａから４３１．６ｍｍの位置で均一の強度分布を得ることができた。すなわち、第２の実施形態では、光路長を短くできることを確認した。
［第３の実施形態］
【００７２】
図２１は、本発明の第３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３の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂと、ＳＬＭ１２Ｂと、強度変換レンズ１１ＢとＳＬＭ１２Ｂの間に配置される縮小光学系２０Ｂとを備えている。
【００７３】
強度変換レンズ１１Ｂは、上記した強度変換レンズ１１と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００７４】
ＳＬＭ１２Ｂは、上記したＳＬＭ１２と同様に、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（LiquidCrystal on Silicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１Ｂからのレーザ光の位相を変調して波面制御を行う。詳説すれば、ＳＬＭ１２Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂによって強度分布が整形された後に、後述する縮小光学系２０Ｂによってビーム径が縮小されたレーザ光の位相を変調して波面制御を行うこととなる。例えば、後段に配置される集光レンズ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も補正する補正波面を設定する。
【００７５】
また、ＳＬＭ１２Ｂは、上記したＳＬＭ１２と同様に、強度変換レンズ１１Ｂからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２Ｂが配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。強度変換レンズ１１ＢとＳＬＭ１２Ｂとの間には、縮小光学系２０Ｂが配置されている。
【００７６】
縮小光学系２０Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂからの出射レーザ光のビーム径を縮小するためのものであり、一対の凸レンズ２１Ｂ，２２Ｂを備える。凸レンズ２１Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂ側に配置され、入射面が凸状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凸レンズ２２Ｂは、ＳＬＭ１２Ｂ側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凸状形状をなしている。この縮小光学系２０Ｂでは、一対の凸レンズ２１Ｂ，２２Ｂの間に集光点が存在する。縮小光学系２０Ｂは、一対の凸レンズ２１Ｂ，２２Ｂそれぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１Ｂからの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに縮小することができる。
【００７７】
この第３の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂによれば、強度変換レンズ１１ＢとＳＬＭ１２Ｂとの間に配置された縮小光学系２０Ｂによってレーザ光の縮小を行うので、強度変換レンズ１１Ｂはレーザ光の強度分布の整形のみを行えばよい。したがって、強度変換レンズ１１Ｂの非球面の高低差の増加を抑制することができ、強度変換レンズ１１Ｂの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
（第３の実施例）
【００７８】
第３の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂを第３の実施例として設計した。この第３の実施例でも、図１０と同様に、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ｂの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である（図１５）。
【００７９】
縮小光学系２０Ｂには、材質ＢＫ７、厚み３．６ｍｍ、焦点距離６１．５ｍｍの集光レンズ２１Ｂと、材質ＢＫ７、厚み４．６ｍｍ、焦点距離４１ｍｍの集光レンズ２２Ｂとを用いた。
【００８０】
すると、図２２に示すように、強度変換レンズ１１Ｂから５３０ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１Ｂから５３０ｍｍの位置において図２３に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２Ｂでは、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
【００８１】
この第３の実施例でも、強度変換レンズ１１ＢとＳＬＭ１２Ｂとの間に縮小光学系２０Ｂを配置することにより、縮小光学系２０Ｂの縮小率に相当する４１／６１．５＝２／３倍程度にレーザ光を縮小することができた。
【００８２】
そして、このようにレーザ光を縮小するために、強度変換レンズ１１Ｂの非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した。これより、強度変換レンズ１１Ｂの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
［第４の実施形態］
【００８３】
図２４は、本発明の第４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４の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃと、ＳＬＭ１２Ｃと、強度変換レンズ１１ＣとＳＬＭ１２Ｃの間に配置される縮小光学系２０Ｃとを備えている。
【００８４】
強度変換レンズ１１Ｃは、上記した強度変換レンズ１１と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００８５】
ＳＬＭ１２Ｃは、上記したＳＬＭ１２と同様に、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（LiquidCrystal on Silicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１Ｃからのレーザ光の位相を変調して波面制御を行う。詳説すれば、ＳＬＭ１２Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃによって強度分布が整形された後に、後述する縮小光学系２０Ｃによってビーム径が縮小されたレーザ光の位相を変調して波面制御を行うこととなる。例えば、後段に配置される集光レンズ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も補正する補正波面を設定する。
【００８６】
また、ＳＬＭ１２Ｃは、上記したＳＬＭ１２と同様に、強度変換レンズ１１Ｘからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２Ｃが配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。強度変換レンズ１１ＣとＳＬＭ１２Ｃとの間には、縮小光学系２０Ｃが配置されている。
【００８７】
縮小光学系２０Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃからの出射レーザ光のビーム径を縮小するためのものであり、一対の凸レンズ２１Ｃ及び凹レンズ２２Ｃ及びを備える。凸レンズ２１Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃ側に配置され、入射面が凸状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凹レンズ２２Ｃは、ＳＬＭ１２Ｃ側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凹状形状をなしている。この縮小光学系２０Ｃでは、この縮小光学系２０Ｃでは、一対の凸レンズ２１Ｃ及び凹レンズ２２Ｃの間に集光点が存在しない。縮小光学系２０Ｃは、一対の凸レンズ２１Ｃ及び凹レンズ２２Ｃそれぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１Ｃからの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに縮小することができる。
【００８８】
この第４の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃでも、第３の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂと同様の利点を得ることができる。
【００８９】
また、第４の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃによれば、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と同様に、縮小光学系２０Ｃが凸レンズ２１Ｃと凹レンズ２２Ｃで構成されているので、集光点（クロス点）が存在しない。その結果、光路長を短くすることができ、かつ、集光点での空気破壊が発生することがない。また、縮小光学系内に別の光学素子を配置しても光学素子が損傷しないので、光学設計の自由度が高いという利点があり、更なる小型化が可能である。
（第４の実施例）
【００９０】
第４の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃを第４の実施例として設計した。この第４の実施例でも、図１０と同様に、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ｃの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である（図１５）。
【００９１】
縮小光学系２０Ｃには、材質ＢＫ７、厚み３ｍｍ、焦点距離１５３．７ｍｍの集光レンズ２１Ｃと、材質ＢＫ７、厚み２ｍｍ、焦点距離１０２．４ｍｍの拡散レンズ２２Ｃとを用いた。
【００９２】
すると、図２５に示すように、強度変換レンズ１１Ｃから４３１．６ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１Ｃから４３１．６ｍｍの位置において図２６に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２Ｃでは、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
【００９３】
この第４の実施例でも、強度変換レンズ１１ＣとＳＬＭ１２Ｃとの間に縮小光学系２０Ｃを配置することにより、縮小光学系２０Ｃの縮小率に相当する４１／６１．５＝２／３倍程度にレーザ光を縮小することができた。
【００９４】
そして、このようにレーザ光を縮小するために、強度変換レンズ１１Ｃの非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した。これより、強度変換レンズ１１Ｃの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
【００９５】
更に、第３の実施例では、強度変換レンズ１１Ｂから５３０ｍｍの位置で均一な強度分布を得たのに対し、第４の実施形態では、強度変換レンズ１１Ｃから４３１．６ｍｍの位置で均一の強度分布を得ることができた。すなわち、第４の実施形態では、光路長を短くできることを確認した。
【００９６】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、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、ＳＬＭの変調面が位置するように配置されたが、光変調素子の変調面は、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厳密に一致していなくてもよい。これは、強度変換レンズ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ことによる。
【００９７】
また、本実施形態では、拡大光学系又は縮小光学系の位置を調節することにより、強度変換レンズからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置を任意の位置に設定することが可能となる。
【００９８】
例えば、第２の実施例において、拡大光学系２０Ａにおける拡散レンズ２１Ａ（材質ＢＫ７、厚み２ｍｍ、焦点距離１０２．４ｍｍ）を強度変換レンズ１１Ａから５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４４１．３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから４５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４２１．９ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから６５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４１２．３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから８５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４０２．６ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから１０５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから３９３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから１２５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから３８３．３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから１４５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから３７３．７ｍｍの位置となる。
【００９９】
また、本実施形態では、レーザ光整形及び波面制御用光学系の後段に配置される集光レンズの瞳面で所望の波面が得られるように、ＳＬＭの補正波面を設定又は調整してもよい。
【０１００】
図２７は、本発明の変形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２７に示す変形例のレーザ光整形及び波面制御用光学系は、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の後段に、結像光学系５０と、集光レンズ６０と、ビームスプリッタ７０と、波面センサ８０とを備える。
【０１０１】
結像光学系５０は、一対の凸レンズ５１，５２から構成され、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５０の入射側結像面は、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する面、及び、ＳＬＭ１２Ａの変調面１２ａに設定されており、出射側結像面は、集光レンズ６０の瞳面６０ａに設定されている。これによれば、強度変換レンズ１１Ａによって整形された所望の強度分布と、ＳＬＭ１２Ａによって制御された波面とをより厳密に集光レンズ６０に転像することができる。なお、上述したように、ＳＬＭ１２Ａの変調面１２ａが、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する面に厳密に一致していない場合、結像光学系５０の入射側結像面は、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する面とＳＬＭ１２Ａの変調面１２ａとの間に設定されればよい。
【０１０２】
集光レンズ６０は、結像光学系５０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。集光レンズ６０と結像光学系５０との間には、ビームスプリッタ７０が配置されている。
【０１０３】
ビームスプリッタ７０は、結像光学系５０からのレーザ光に対して入射面７０ａが約４５度の角度をなすように配置され、結像光学系５０からのレーザ光の一部を入射面７０ａで反射させて波面センサ８０へ導く。また、ビームスプリッタ７０は、結像光学系５０からのレーザ光の残りを透過させて集光レンズ６０へ導く。なお、ビームスプリッタ７０に代えて可動式ミラー等が用いられてもよい。
【０１０４】
結像光学系５０の出射面から波面センサ８０までの光路長は、結像光学系５０の出射面から集光レンズ６０の瞳面６０ａまでの光路長と等しく設定される。これにより、波面センサ８０は、集光レンズ６０の瞳面６０ａに相当する位置での波面を計測することとなる。
【０１０５】
そして、波面センサ８０によって計測した波面に基づいて、集光レンズ６０の瞳面６０ａで所望の波面が得られるように、ＳＬＭ１２Ａの補正波面を設定又は調整することとなる。
【符号の説明】
【０１０６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｘ，１Ｙ…レーザ光整形及び波面制御用光学系、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｘ，１１Ｙ…強度変換レンズ、１２…空間光変調器（ＳＬＭ：光変調素子）、１２ａ…変調面、２０，２０Ａ…拡大光学系（拡大縮小光学系）、２０Ｂ，２０Ｃ…縮小光学系（拡大縮小光学系）、２１，２２，２２Ａ，２１Ｂ，２２Ｂ，２１Ｃ…凸レンズ（集光レンズ）、２１Ａ，２２Ｃ…凹レンズ（拡散レンズ）、３０…レーザ光源、４０…エキスパンダ、４１…凹レンズ、４２…凸レンズ、５０…結像光学系、５１，５２…凸レンズ、６０…集光レンズ、６０ａ…瞳面、７０…ビームスプリッタ、８０…波面センサ。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
この点に関し、特許文献１には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布（例えば、トップハット型の強度分布）に整形するレーザ光整形用光学系として、強度変換レンズと位相補正レンズから構成される非球面レンズ型のホモジナイザを備えるものが開示されている。この特許文献１に開示のレーザ光整形用光学系は、強度変換レンズと位相補正レンズの位置ずれに起因する強度分布の不均一を抑制するために、ホモジナイザの下流側に結像光学系（転写レンズ系）を備えている。
【０００４】
また、特許文献２には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布に整形するレーザ光整形用光学系として、上記した非球面レンズ型のホモジナイザ、又は、回折型光学部品（Diffractive Optical Element：ＤＯＥ）から構成される回折型のホモジナイザ等を備えるものが開示されている。この特許文献２に開示のレーザ光整形用光学系は、ホモジナイザの下流側に、対物レンズとこの対物レンズの後方に配置された結像レンズとから構成される結像光学系を備えている。そして、このレーザ光整形用光学系では、その全長を短縮するために、対物レンズは、ホモジナイザの焦点面の手前に配置され、負の焦点距離を有する。
【０００５】
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。
【０００６】
この点に関し、特許文献３及び４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３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。
【０００７】
ここで、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ためには、特許文献１又は２に開示の光学系に特許文献３又は４に記載のＳＬＭを適用することが考えられる。この場合、ＳＬＭの変調効率を高めるためには、レーザ光の大きさが変調面の大きさと略等しくなるように、レーザ光を拡大又は縮小することが好ましい。
【０００８】
この点に関し、特許文献１及び２に開示のレーザ光整形用光学系では、ホモジナイザの後段に設けられた結像光学系によって、容易にレーザ光の拡大又は縮小を行うことが可能と考えられる。すなわち、ホモジナイザの後段にＳＬＭを配置し、ホモジナイザとＳＬＭとの間に結像光学系を配置することが考えられる。この場合、結像光学系の入射側結像面をホモジナイザの出射面に設定し、出射側結像面をＳＬＭの変調面に設定することが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−３１０３６８号公報
【特許文献２】特開２００７−１１４７４１号公報
【特許文献３】特開２００９−０３４７２３号公報
【特許文献４】特開２０１０−０７５９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、ホモジナイザとＳＬＭとの間に拡大縮小光学系を配置すると、部品点数が多くなってしまうという問題や、光路長が長くなってしまうという問題が生じる。
【００１１】
この点に関し、本願発明者らは、ホモジナイザにおける位相補正レンズを削減して、位相補正をＳＬＭによって行うことを試みた。また、強度変換レンズのみによって、レーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立することを試みた。
【００１２】
しかしながら、以下のような新たな問題が発生した。すなわち、強度変換レンズのみによって、レーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立すると、強度変換レンズの非球面の形状が複雑になってしまうと共に、強度変換レンズの面積及び非球面の高低差が大きくなってしまった。その結果、強度変換レンズの製作に要する加工時間が増加してしまい、製造コストの増加や加工精度の低下が生じてしまう。また、この種の強度変換レンズは、実装スペースが制限される既存の光学系には適用できない可能性がある。
【００１３】
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両立するレーザ光整形及び波面制御用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制するレーザ光整形及び波面制御用光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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、強度変換レンズと光変調素子との間に配置され、強度変換レンズからの出射レーザ光を拡大又は縮小する拡大縮小光学系とを備える。
【００１５】
このレーザ光整形及び波面制御用光学系によれば、強度変換レンズと光変調素子との間に配置された拡大縮小光学系によってレーザ光の拡大又は縮小を行うので、強度変換レンズはレーザ光の強度分布の整形のみを行えばよい。したがって、強度変換レンズの非球面の高低差の増加を抑制することができ、強度変換レンズの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
【００１６】
上記した拡大縮小光学系は、一対の凸レンズにより構成されてもよいし、一対の凹レンズ及び凸レンズにより構成されてもよい。この構成によれば、一対のレンズの焦点距離に応じて、レーザ光を任意の大きさに拡大又は縮小することができる。
【００１７】
ここで、実用化を考慮した場合、一対の凸レンズにより構成される拡大縮小光学系では、一旦ビームを集光（クロス）した後に拡大又は縮小することとなるので、光路長が長くなると共に、集光点（クロス点）で空気破壊が発生することがある。また、光学設計上、拡大縮小光学系内に別の光学素子（モニタ等のための反射板等）を配置する必要が生じた場合、集光点付近では光強度が非常に強く、光学素子が損傷する可能性があるため、拡大縮小光学系内に光学素子を配置することができない。
【００１８】
一方、一対の凹レンズ及び凸レンズにより構成される拡大縮小光学系によれば、集光点（クロス点）が存在しないので、光路長を短くすることができ、かつ、集光点での空気破壊が発生することがない。また、拡大縮小光学系内に別の光学素子を配置しても光学素子が損傷しないので、光学設計の自由度が高いという利点があり、更なる小型化が可能である。
【００１９】
上記した光変調素子の変調面は、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位置することが好ましい。強度変換レンズ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ので、光変調素子の変調面は、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厳密に一致させなくてもよい。しかしながら、この構成によれば、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、光変調素子の変調面が厳密に一致するので、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厳密に両立することができる。
【発明の効果】
【００２０】
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両立するレーザ光整形及び波面制御用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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】第１の比較例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】強度変換レンズの形状の一例を示す図である。
【図４】第１の比較例における入射レーザ光の強度分布の一例を示す図である。
【図５】第１の比較例における出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。
【図６】強度変換レンズの形状の一例を示す図である。
【図７】第１の比較例における出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。
【図８】強度変換レンズの形状の一例を示す図である。
【図９】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１０】第１の実施例の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１１】入射レーザ光の強度分布の計測結果を示す図である。
【図１２】第１の実施例の強度変換レンズの形状の設計結果を示す図である。
【図１３】第１の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図１４】第１の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図１５】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１６】第２の比較例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図１７】第２の比較例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態（第２の実施例）に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。
【図１９】第２の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図２０】第２の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図２１】本発明の第３の実施形態（第３の実施例）に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。
【図２２】第３の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図２３】第３の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図２４】本発明の第４の実施形態（第４の実施例）に係るレーザ光整形及び波面制御用光学系を示す構成図である。
【図２５】第４の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における所望の強度分布の計測結果を示す図である。
【図２６】第４の実施例の強度変換レンズからの出射レーザ光のＳＬＭ配置位置における波面の計測結果を示す図である。
【図２７】変形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。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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強度変換レンズ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。）とを備える形態を考案した。すなわち、上述したように、ホモジナイザ−結像光学系−ＳＬＭから構成され、ＳＬＭの変調効率を高めるために、レーザ光の大きさが変調面の大きさと略等しくなるように、結像光学系によってレーザ光の拡大又は縮小を行うレーザ光整形及び波面制御用光学系において、ホモジナイザにおける位相補正レンズを削減して位相補正をＳＬＭによって行い、また、強度変換レンズのみによってレーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立するレーザ光整形及び波面制御用光学系を考案した。
【００２４】
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、強度変換レンズ１１ＸとＳＬＭ１２Ｘとを備える。
【００２５】
強度変換レンズ１１Ｘは、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００２６】
ＳＬＭ１２Ｘは、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（Liquid Crystal onSilicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１Ｘ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、後段に配置される集光レンズ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。
【００２７】
また、ＳＬＭ１２Ｘは、ホモジナイザの位相補正レンズと同様に、強度変換レンズ１１Ｘからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２Ｘが配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。
【００２８】
以下では、強度変換レンズ１１Ｘの非球面の形状設計の一例を例示する。例えば、所望の強度分布を、レーザ加工装置や、光ピンセット、高解像度顕微鏡等において望まれる空間的に均一な強度分布、すなわち、均一強度分布に設定することとする（図２のＯｏ）。ここで、所望の強度分布は、出射レーザ光Ｏｏのエネルギー（所望の強度分布の面積）が入射レーザ光Ｏｉのエネルギー（強度分布の面積）と等しくなるように設定される必要がある。よって、例えば、均一強度分布の設定は以下のように行えばよい。
【００２９】
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/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。
【数１】
【数２】
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。
【００３０】
一方、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布は、図２に示すように、均一強度分布（次数Ｎ＝８、ω＝２．６５ｍｍ）に設定する。均一強度分布は下記（３）式により表されるので、下記（４）式のように出射レーザ光Ｏｏの半径６ｍｍの範囲内のエネルギーが入射レーザ光Ｏｉのエネルギーに等しくなるためには、出射レーザ光Ｏｏの強度均一部の値はＥ０＝０．６８７に設定することとなる。
【数３】
【数４】
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。
【００３１】
その後、図１に示すように、強度変換レンズ１１Ｘにおける入射レーザ光Ｏｉの強度分布がＳＬＭ１２Ｘにおいて所望の強度分布を有する出射レーザ光Ｏｏとなるように、すなわち、入射レーザ光Ｏｉにおける中央付近の強い強度の光が周辺部に拡散され、周辺部の弱い強度の光が収束されるように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａからＳＬＭ１２Ｘの変調面１２ａへの光路であって、非球面レンズの半径方向の任意の座標における光路Ｐ１〜Ｐ８を求める。
【００３２】
その後、求めた光路Ｐ１〜Ｐ８に基づいて、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状を求める。具体的には、光路Ｐ１〜Ｐ８が得られるように、強度変換レンズ１１Ｘの中心を基準として半径ｒ１方向の各座標における非球面１１ａの高低差を求める。すると、図３に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まる。
【００３３】
なお、図３は、非球面レンズ１１Ｘの材料としてＣａＦ２（ｎ＝１．４２）を使用し、非球面１１ａの中心位置（座標ｒ１＝０の位置）とＳＬＭ１２Ｘの変調面１２ａとの間隔をＬ＝１６５ｍｍとして設計したときの一例である。
【００３４】
ところで、本願発明者らの考案によれば、上記した非球面の形状設計において、レーザ光のビーム径の拡大又は縮小をも考慮することにより、強度変換レンズ１１Ｘのみによって、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形すると共に、ビーム径を所望の大きさに拡大又は縮小した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。
【００３５】
例えば、図４に示すように、同心円状のガウシアン分布（波長１０６４ｎｍ、ビーム径１．４４ｍｍａｔ １/ｅ２）である強度分布を有する入射レーザ光Ｏｉを、図５に示すように、均一強度分布（次数６、ビーム径２．４８２ｍｍａｔ １/ｅ２）に整形すると共に、ビーム径を拡大した出射レーザ光Ｏｏを生成することとする。この場合、上記した非球面の形状設計に従うと、図６に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まる。
【００３６】
また、例えば、図４に示すガウシアン状の強度分布を有する入射レーザ光Ｏｉを、図７に示すように、均一強度分布（次数６、ビーム径１２．４１ｍｍａｔ１/ｅ２）に整形すると共に、ビーム径を更に拡大した出射レーザ光Ｏｏを生成することとする。この場合、上記した非球面の形状設計に従うと、図８に示すように、強度変換レンズ１１Ｘの非球面１１ａの形状が求まる。
【００３７】
なお、図６及び図８は、非球面レンズ１１Ｘの材料としてＭｇＦ２（ｎ＝１．３７７）を使用し、非球面１１ａの中心位置（座標ｒ１＝０の位置）とＳＬＭ１２Ｘの変調面１２ａとの間隔をＬ＝１００ｍｍとして設計したときの一例である。
【００３８】
図６及び図８では、非球面の高低差の相違を明確化するために、縦軸の基準（高さ０μｍの位置）が非球面レンズ１１Ｘの中心（座標ｒ１＝０の位置）と異なる。
【００３９】
図６及び図８によれば、ビーム径を１２．４１／２．４８２＝５倍に拡大しようとすると、強度変換レンズ１１Ｘの加工量が体積比で約３４倍に増加してしまう。このように、強度変換レンズの拡大又は縮小の倍率を大きく設定すると、換言すれば、強度変換レンズのみによってレーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立しようとすると、強度変換レンズの面積及び非球面の高低差が大きくなってしまい、強度変換レンズの非球面の加工量が増加してしまう。その結果、強度変換レンズの製作に要する加工時間が増加してしまい、製造コストの増加が生じてしまう。
【００４０】
また、強度変換レンズのみによってレーザ光の強度分布の均一化とレーザ光の拡大又は縮小とを両立しようとすると、ビーム径を拡大又は縮小させるための成分に対して強度分布を均一化させるための成分の割合が減少するので、拡大又は縮小倍率によってはビーム径を拡大又は縮小させる作用が支配的となり、強度分布を均一化させる作用を十分に得ることができない可能性がある。
【００４１】
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両立するレーザ光整形及び波面制御用光学系において、レーザ光を拡大又は縮小するために光学レンズの加工時間が増加することを抑制するレーザ光整形及び波面制御用光学系を考案する。
［第１の実施形態］
【００４２】
図９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、強度変換レンズ１１と、ＳＬＭ１２と、強度変換レンズ１１とＳＬＭ１２の間に配置される拡大光学系２０とを備えている。
【００４３】
強度変換レンズ１１は、上記した強度変換レンズ１１Ｘと同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００４４】
ＳＬＭ１２は、上記したＳＬＭ１２Ｘと同様に、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（LiquidCrystal on Silicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１からのレーザ光の位相を変調して波面制御を行う。詳説すれば、ＳＬＭ１２は、強度変換レンズ１１によって強度分布が整形された後に、後述する拡大光学系２０によってビーム径が拡大されたレーザ光の位相を変調して波面制御を行うこととなる。例えば、後段に配置される集光レンズ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。
【００４５】
また、ＳＬＭ１２は、上記したＳＬＭ１２Ｘと同様に、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２が配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。強度変換レンズ１１とＳＬＭ１２との間には、拡大光学系２０が配置されている。
【００４６】
拡大光学系２０は、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光のビーム径を拡大するためのものであり、一対の凸レンズ２１，２２を備える。凸レンズ２１は、強度変換レンズ１１側に配置され、入射面が凸状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凸レンズ２２は、ＳＬＭ１２側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凸状形状をなしている。この拡大光学系２０では、一対の凸レンズ２１，２２の間に集光点が存在する。拡大光学系２０は、一対の凸レンズ２１，２２それぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１からの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに拡大することができる。
【００４７】
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、強度変換レンズ１１とＳＬＭ１２との間に配置された拡大光学系２０によってレーザ光の拡大を行うので、強度変換レンズ１１はレーザ光の強度分布の整形のみを行えばよい。したがって、強度変換レンズ１１の非球面の高低差の増加を抑制することができ、強度変換レンズ１１の加工時間の増加を抑制することが可能となる。
（第１の実施例）
【００４８】
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を第１の実施例として設計した。この第１の実施例では、図１０に示すように、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１へ入射することとする。
【００４９】
レーザ光源３０には、波長１０６４ｎｍのファイバーレーザを用い、エキスパンダ４０には、一対の凹レンズ４１と凸レンズ４２とから構成されるものを用いた。本実施例では、エキスパンダ４０によって、レーザ光源３０からのレーザ光を、図１１に示すように７．１２ｍｍまで拡大したレーザ光Ｏｉを生成した。図１１によれば、レーザ光整形及び波面制御用光学系１へ入射するレーザ光Ｏｉの強度分布は、同心円状のガウシアン分布である。
【００５０】
そして、上記した非球面の形状設計と同様に、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状を図１２に示すように求めた。なお、強度変換レンズ１１の材質としてＭｇＦ２（ｎ＝１．３７７）を使用し、拡大光学系２０が無い状態での非球面１１ａの中心位置と変調面１２ａとの間隔をＬ＝２１５ｍｍと設定し、これに拡大光学系２０を挿入することによる光路変更を考慮して設計した。図１２では、非球面の高低差の相違を明確化するために、縦軸の基準（高さ０μｍの位置）が強度変換レンズ１１Ｘの中心（半径０ｍｍの位置）と異なる。
【００５１】
拡大光学系２０には、材質ＢＫ７、厚み４．６ｍｍ、焦点距離４１ｍｍの集光レンズ２１と、材質ＢＫ７、厚み３．６ｍｍ、焦点距離６１．５ｍｍの集光レンズ２２とを用いた。
【００５２】
すると、図１３に示すように、強度変換レンズ１１から５３０ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１から５３０ｍｍの位置において、図１４に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２では、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
（第２の比較例）
【００５３】
また、図１５に示すレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙを第２の比較例として設計した。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１において拡大光学系２０を備えない点で第１の実施例と異なる。
【００５４】
第２の比較例でも、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｙへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ｙの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である。
【００５５】
すると、図１６に示すように、強度変換レンズ１１Ｙから２１５ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１Ｙから２１５ｍｍの位置において図１７に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２では、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
（比較検証）
【００５６】
ＳＬＭ１２，１２Ｙにおける強度分布（図１３、１６）、及び、波面（図１４、１７）をそれぞれ比較すると、第１の実施例によれば、強度変換レンズ１１とＳＬＭ１２との間に拡大光学系２０を配置することにより、拡大光学系２０の拡大率に相当する６１．５/４１=１．５倍程度にレーザ光を拡大することができた。
【００５７】
そして、このようにレーザ光を拡大するために、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した（図１５）。これより、第１の実施例によれば、強度変換レンズ１１の加工時間の増加を抑制することが可能となる。
［第２の実施形態］
【００５８】
図１８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、強度変換レンズ１１Ａと、ＳＬＭ１２Ａと、強度変換レンズ１１ＡとＳＬＭ１２Ａの間に配置される拡大光学系２０Ａとを備えている。
【００５９】
強度変換レンズ１１Ａは、上記した強度変換レンズ１１と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００６０】
ＳＬＭ１２Ａは、上記したＳＬＭ１２と同様に、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（LiquidCrystal on Silicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１Ａからのレーザ光の位相を変調して波面制御を行う。詳説すれば、ＳＬＭ１２Ａは、強度変換レンズ１１Ａによって強度分布が整形された後に、後述する拡大光学系２０Ａによってビーム径が拡大されたレーザ光の位相を変調して波面制御を行うこととなる。例えば、後段に配置される集光レンズ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。
【００６１】
また、ＳＬＭ１２Ａは、上記したＳＬＭ１２と同様に、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２Ａが配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。強度変換レンズ１１ＡとＳＬＭ１２Ａとの間には、拡大光学系２０Ａが配置されている。
【００６２】
拡大光学系２０Ａは、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光のビーム径を拡大するためのものであり、一対の凹レンズ２１Ａ及び凸レンズ２２Ａを備える。凹レンズ２１Ａは、強度変換レンズ１１Ａ側に配置され、入射面が凹状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凸レンズ２２Ａは、ＳＬＭ１２Ａ側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凸状形状をなしている。この拡大光学系２０Ａでは、一対の凹レンズ２１Ａ及び凸レンズ２２Ａの間に集光点が存在しない。拡大光学系２０Ａは、一対の凹レンズ２１Ａ及び凸レンズ２２Ａそれぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに拡大することができる。
【００６３】
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と同様の利点を得ることができる。
【００６４】
ところで、実用化を考慮した場合、第１の実施形態における拡大光学系２０では、一旦ビームを集光（クロス）した後に拡大することとなるので、光路長が長くなると共に、集光点（クロス点）で空気破壊が発生することがある。また、光学設計上、拡大光学系内に別の光学素子（モニタ等のための反射板等）を配置する必要が生じた場合、集光点付近では光強度が非常に強く、光学素子が損傷する可能性があるため、拡大光学系内に光学素子を配置することができない。
【００６５】
しかしながら、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によれば、拡大光学系２０Ａが凹レンズ２１Ａと凸レンズ２２Ａで構成されているので、集光点（クロス点）が存在しない。その結果、光路長を短くすることができ、かつ、集光点での空気破壊が発生することがない。また、拡大光学系内に別の光学素子を配置しても光学素子が損傷しないので、光学設計の自由度が高いという利点があり、更なる小型化が可能である。
（第２の実施例）
【００６６】
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を第２の実施例として設計した。この第２の実施例でも、図１０と同様に、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ａへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ａの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である（図１５）。
【００６７】
拡大光学系２０Ａには、材質ＢＫ７、厚み２ｍｍ、焦点距離１０２．４ｍｍの拡散レンズ２１Ａと、材質ＢＫ７、厚み３ｍｍ、焦点距離１５３．７ｍｍの集光レンズ２２Ａとを用いた。
【００６８】
すると、図１９に示すように、強度変換レンズ１１Ａから４３１．６ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１Ａから４３１．６ｍｍの位置において図２０に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２Ａでは、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
【００６９】
この第２の実施例でも、強度変換レンズ１１ＡとＳＬＭ１２Ａとの間に拡大光学系２０Ａを配置することにより、拡大光学系２０Ａの拡大率に相当する６１．５/４１=１．５倍程度にレーザ光を拡大することができた。
【００７０】
そして、このようにレーザ光を拡大するために、強度変換レンズ１１Ａの非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した。これより、強度変換レンズ１１Ａの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
【００７１】
更に、第１の実施例では、強度変換レンズ１１から５３０ｍｍの位置で均一な強度分布を得たのに対し、第２の実施形態では、強度変換レンズ１１Ａから４３１．６ｍｍの位置で均一の強度分布を得ることができた。すなわち、第２の実施形態では、光路長を短くできることを確認した。
［第３の実施形態］
【００７２】
図２１は、本発明の第３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３の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂと、ＳＬＭ１２Ｂと、強度変換レンズ１１ＢとＳＬＭ１２Ｂの間に配置される縮小光学系２０Ｂとを備えている。
【００７３】
強度変換レンズ１１Ｂは、上記した強度変換レンズ１１と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００７４】
ＳＬＭ１２Ｂは、上記したＳＬＭ１２と同様に、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（LiquidCrystal on Silicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１Ｂからのレーザ光の位相を変調して波面制御を行う。詳説すれば、ＳＬＭ１２Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂによって強度分布が整形された後に、後述する縮小光学系２０Ｂによってビーム径が縮小されたレーザ光の位相を変調して波面制御を行うこととなる。例えば、後段に配置される集光レンズ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も補正する補正波面を設定する。
【００７５】
また、ＳＬＭ１２Ｂは、上記したＳＬＭ１２と同様に、強度変換レンズ１１Ｂからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２Ｂが配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。強度変換レンズ１１ＢとＳＬＭ１２Ｂとの間には、縮小光学系２０Ｂが配置されている。
【００７６】
縮小光学系２０Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂからの出射レーザ光のビーム径を縮小するためのものであり、一対の凸レンズ２１Ｂ，２２Ｂを備える。凸レンズ２１Ｂは、強度変換レンズ１１Ｂ側に配置され、入射面が凸状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凸レンズ２２Ｂは、ＳＬＭ１２Ｂ側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凸状形状をなしている。この縮小光学系２０Ｂでは、一対の凸レンズ２１Ｂ，２２Ｂの間に集光点が存在する。縮小光学系２０Ｂは、一対の凸レンズ２１Ｂ，２２Ｂそれぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１Ｂからの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに縮小することができる。
【００７７】
この第３の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂによれば、強度変換レンズ１１ＢとＳＬＭ１２Ｂとの間に配置された縮小光学系２０Ｂによってレーザ光の縮小を行うので、強度変換レンズ１１Ｂはレーザ光の強度分布の整形のみを行えばよい。したがって、強度変換レンズ１１Ｂの非球面の高低差の増加を抑制することができ、強度変換レンズ１１Ｂの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
（第３の実施例）
【００７８】
第３の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂを第３の実施例として設計した。この第３の実施例でも、図１０と同様に、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ｂの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である（図１５）。
【００７９】
縮小光学系２０Ｂには、材質ＢＫ７、厚み３．６ｍｍ、焦点距離６１．５ｍｍの集光レンズ２１Ｂと、材質ＢＫ７、厚み４．６ｍｍ、焦点距離４１ｍｍの集光レンズ２２Ｂとを用いた。
【００８０】
すると、図２２に示すように、強度変換レンズ１１Ｂから５３０ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１Ｂから５３０ｍｍの位置において図２３に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２Ｂでは、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
【００８１】
この第３の実施例でも、強度変換レンズ１１ＢとＳＬＭ１２Ｂとの間に縮小光学系２０Ｂを配置することにより、縮小光学系２０Ｂの縮小率に相当する４１／６１．５＝２／３倍程度にレーザ光を縮小することができた。
【００８２】
そして、このようにレーザ光を縮小するために、強度変換レンズ１１Ｂの非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した。これより、強度変換レンズ１１Ｂの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
［第４の実施形態］
【００８３】
図２４は、本発明の第４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４の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃと、ＳＬＭ１２Ｃと、強度変換レンズ１１ＣとＳＬＭ１２Ｃの間に配置される縮小光学系２０Ｃとを備えている。
【００８４】
強度変換レンズ１１Ｃは、上記した強度変換レンズ１１と同様に、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものであり、非球面１１ａ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。
【００８５】
ＳＬＭ１２Ｃは、上記したＳＬＭ１２と同様に、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（LiquidCrystal on Silicon - Spatial Light Modulator）であり、強度変換レンズ１１Ｃからのレーザ光の位相を変調して波面制御を行う。詳説すれば、ＳＬＭ１２Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃによって強度分布が整形された後に、後述する縮小光学系２０Ｃによってビーム径が縮小されたレーザ光の位相を変調して波面制御を行うこととなる。例えば、後段に配置される集光レンズ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も補正する補正波面を設定する。
【００８６】
また、ＳＬＭ１２Ｃは、上記したＳＬＭ１２と同様に、強度変換レンズ１１Ｘからの出射レーザ光の位相を揃えて平面波に補正する。例えば、強度変換レンズによって変化したＳＬＭ１２Ｃが配置される位置での波面を補正するように補正波面を設定する。強度変換レンズ１１ＣとＳＬＭ１２Ｃとの間には、縮小光学系２０Ｃが配置されている。
【００８７】
縮小光学系２０Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃからの出射レーザ光のビーム径を縮小するためのものであり、一対の凸レンズ２１Ｃ及び凹レンズ２２Ｃ及びを備える。凸レンズ２１Ｃは、強度変換レンズ１１Ｃ側に配置され、入射面が凸状形状をなし、出射面が平状形状をなしている。一方、凹レンズ２２Ｃは、ＳＬＭ１２Ｃ側に配置され、入射面が平状形状をなし、出射面が凹状形状をなしている。この縮小光学系２０Ｃでは、この縮小光学系２０Ｃでは、一対の凸レンズ２１Ｃ及び凹レンズ２２Ｃの間に集光点が存在しない。縮小光学系２０Ｃは、一対の凸レンズ２１Ｃ及び凹レンズ２２Ｃそれぞれの焦点距離に応じて、強度変換レンズ１１Ｃからの出射レーザ光のビーム径を任意の大きさに縮小することができる。
【００８８】
この第４の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃでも、第３の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｂと同様の利点を得ることができる。
【００８９】
また、第４の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃによれば、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と同様に、縮小光学系２０Ｃが凸レンズ２１Ｃと凹レンズ２２Ｃで構成されているので、集光点（クロス点）が存在しない。その結果、光路長を短くすることができ、かつ、集光点での空気破壊が発生することがない。また、縮小光学系内に別の光学素子を配置しても光学素子が損傷しないので、光学設計の自由度が高いという利点があり、更なる小型化が可能である。
（第４の実施例）
【００９０】
第４の実施形態のレーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃを第４の実施例として設計した。この第４の実施例でも、図１０と同様に、レーザ光源３０によって生成したレーザ光を、エキスパンダ４０によって拡大した後に、レーザ光整形及び波面制御用光学系１Ｃへ入射することとする。したがって、強度変換レンズ１１Ｃの非球面１１ａの形状は、強度変換レンズ１１の非球面１１ａの形状と同一である（図１５）。
【００９１】
縮小光学系２０Ｃには、材質ＢＫ７、厚み３ｍｍ、焦点距離１５３．７ｍｍの集光レンズ２１Ｃと、材質ＢＫ７、厚み２ｍｍ、焦点距離１０２．４ｍｍの拡散レンズ２２Ｃとを用いた。
【００９２】
すると、図２５に示すように、強度変換レンズ１１Ｃから４３１．６ｍｍの位置で所望の強度分布が得られた。また、強度変換レンズ１１Ｃから４３１．６ｍｍの位置において図２６に示す波面が得られた。ＳＬＭ１２Ｃでは、この波面を補正するように補正波面を設定すればよい。
【００９３】
この第４の実施例でも、強度変換レンズ１１ＣとＳＬＭ１２Ｃとの間に縮小光学系２０Ｃを配置することにより、縮小光学系２０Ｃの縮小率に相当する４１／６１．５＝２／３倍程度にレーザ光を縮小することができた。
【００９４】
そして、このようにレーザ光を縮小するために、強度変換レンズ１１Ｃの非球面１１ａの形状を変更する必要がなく、非球面１１ａの面積及び高低差を増加する必要がないことを確認した。これより、強度変換レンズ１１Ｃの加工時間の増加を抑制することが可能となる。
【００９５】
更に、第３の実施例では、強度変換レンズ１１Ｂから５３０ｍｍの位置で均一な強度分布を得たのに対し、第４の実施形態では、強度変換レンズ１１Ｃから４３１．６ｍｍの位置で均一の強度分布を得ることができた。すなわち、第４の実施形態では、光路長を短くできることを確認した。
【００９６】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、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、ＳＬＭの変調面が位置するように配置されたが、光変調素子の変調面は、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厳密に一致していなくてもよい。これは、強度変換レンズ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ことによる。
【００９７】
また、本実施形態では、拡大光学系又は縮小光学系の位置を調節することにより、強度変換レンズからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置を任意の位置に設定することが可能となる。
【００９８】
例えば、第２の実施例において、拡大光学系２０Ａにおける拡散レンズ２１Ａ（材質ＢＫ７、厚み２ｍｍ、焦点距離１０２．４ｍｍ）を強度変換レンズ１１Ａから５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４４１．３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから４５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４２１．９ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから６５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４１２．３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから８５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから４０２．６ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから１０５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから３９３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから１２５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから３８３．３ｍｍの位置となる。また、拡散レンズ２１Ａを強度変換レンズ１１Ａから１４５ｍｍの位置に配置すると、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する位置は、強度変換レンズ１１Ａから３７３．７ｍｍの位置となる。
【００９９】
また、本実施形態では、レーザ光整形及び波面制御用光学系の後段に配置される集光レンズの瞳面で所望の波面が得られるように、ＳＬＭの補正波面を設定又は調整してもよい。
【０１００】
図２７は、本発明の変形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２７に示す変形例のレーザ光整形及び波面制御用光学系は、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の後段に、結像光学系５０と、集光レンズ６０と、ビームスプリッタ７０と、波面センサ８０とを備える。
【０１０１】
結像光学系５０は、一対の凸レンズ５１，５２から構成され、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５０の入射側結像面は、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する面、及び、ＳＬＭ１２Ａの変調面１２ａに設定されており、出射側結像面は、集光レンズ６０の瞳面６０ａに設定されている。これによれば、強度変換レンズ１１Ａによって整形された所望の強度分布と、ＳＬＭ１２Ａによって制御された波面とをより厳密に集光レンズ６０に転像することができる。なお、上述したように、ＳＬＭ１２Ａの変調面１２ａが、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する面に厳密に一致していない場合、結像光学系５０の入射側結像面は、強度変換レンズ１１Ａからの出射レーザ光の強度分布が所望の強度分布に分布する面とＳＬＭ１２Ａの変調面１２ａとの間に設定されればよい。
【０１０２】
集光レンズ６０は、結像光学系５０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。集光レンズ６０と結像光学系５０との間には、ビームスプリッタ７０が配置されている。
【０１０３】
ビームスプリッタ７０は、結像光学系５０からのレーザ光に対して入射面７０ａが約４５度の角度をなすように配置され、結像光学系５０からのレーザ光の一部を入射面７０ａで反射させて波面センサ８０へ導く。また、ビームスプリッタ７０は、結像光学系５０からのレーザ光の残りを透過させて集光レンズ６０へ導く。なお、ビームスプリッタ７０に代えて可動式ミラー等が用いられてもよい。
【０１０４】
結像光学系５０の出射面から波面センサ８０までの光路長は、結像光学系５０の出射面から集光レンズ６０の瞳面６０ａまでの光路長と等しく設定される。これにより、波面センサ８０は、集光レンズ６０の瞳面６０ａに相当する位置での波面を計測することとなる。
【０１０５】
そして、波面センサ８０によって計測した波面に基づいて、集光レンズ６０の瞳面６０ａで所望の波面が得られるように、ＳＬＭ１２Ａの補正波面を設定又は調整することとなる。
【符号の説明】
【０１０６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｘ，１Ｙ…レーザ光整形及び波面制御用光学系、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｘ，１１Ｙ…強度変換レンズ、１２…空間光変調器（ＳＬＭ：光変調素子）、１２ａ…変調面、２０，２０Ａ…拡大光学系（拡大縮小光学系）、２０Ｂ，２０Ｃ…縮小光学系（拡大縮小光学系）、２１，２２，２２Ａ，２１Ｂ，２２Ｂ，２１Ｃ…凸レンズ（集光レンズ）、２１Ａ，２２Ｃ…凹レンズ（拡散レンズ）、３０…レーザ光源、４０…エキスパンダ、４１…凹レンズ、４２…凸レンズ、５０…結像光学系、５１，５２…凸レンズ、６０…集光レンズ、６０ａ…瞳面、７０…ビームスプリッタ、８０…波面センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記強度変換レンズと前記光変調素子との間に配置され、前記強度変換レンズからの出射レーザ光を拡大又は縮小する拡大縮小光学系と、
を備える、レーザ光整形及び波面制御用光学系。
【請求項２】
前記拡大縮小光学系は、一対の凸レンズにより構成される、請求項１に記載のレーザ光整形及び波面制御用光学系。
【請求項３】
前記拡大縮小光学系は、一対の凹レンズ及び凸レンズにより構成される、請求項１に記載のレーザ光整形及び波面制御用光学系。
【請求項４】
前記光変調素子の変調面は、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位置する、請求項１に記載のレーザ光整形及び波面制御用光学系。
【請求項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、
前記強度変換レンズと前記光変調素子との間に配置され、前記強度変換レンズからの出射レーザ光を拡大又は縮小する拡大縮小光学系と、
を備える、レーザ光整形及び波面制御用光学系。
【請求項２】
前記拡大縮小光学系は、一対の凸レンズにより構成される、請求項１に記載のレーザ光整形及び波面制御用光学系。
【請求項３】
前記拡大縮小光学系は、一対の凹レンズ及び凸レンズにより構成される、請求項１に記載のレーザ光整形及び波面制御用光学系。
【請求項４】
前記光変調素子の変調面は、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位置する、請求項１に記載のレーザ光整形及び波面制御用光学系。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図１１】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図１１】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１６８３３３（Ｐ２０１２−１６８３３３Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８９４６（Ｐ２０１１−２８９４６）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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