光学装置、光源装置、レーザ加工装置、回折光学素子、光ピックアップ、光ディスク装置及びレーザ装置
【課題】サイドローブが、さらに低減された多重ビームを生成する。
【解決手段】多重ビーム生成手段９は、入射するレーザ平行光束に基づくレーザ光束を所定の収束角で光軸上に収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された収束角毎のベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する。ビーム制限手段８は、サイドローブの発生に寄与するレーザ平行光束又は多重ビームの通過を制限する。
【解決手段】多重ビーム生成手段９は、入射するレーザ平行光束に基づくレーザ光束を所定の収束角で光軸上に収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された収束角毎のベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する。ビーム制限手段８は、サイドローブの発生に寄与するレーザ平行光束又は多重ビームの通過を制限する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームの光学系として用いられる光学装置、レーザビームを発生させる光源装置、レーザビームにより加工を行うレーザ加工装置、レーザビームの光学素子として用いられる回折光学素子、データの記録、再生、及び消去のうちの少なくともいずれかを行うのに用いられる光ピックアップ、その光ピックアップを備える光ディスク装置及びレーザビームを用いて所定の処理を行うレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
第１種０次ベッセル関数の２乗にほぼ比例する強度分布を有するベッセルビームは、スポット径を小さくして、なおかつ、焦点深度を大きくすることができる非回折性のレーザビームとして知られている。このため、金属等に高アスペクトな穴を加工するためのレーザビームとして、ベッセルビームの有効性が指摘されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、ベッセルビームには、その最大強度に対し最大１６％もの強度を有するサイドローブが伴うので、これをこのまま加工に利用することは難しい。
【０００３】
そこで、ベッセルビームのサイドローブを低減するため、異なる主ビーム半径を有する２つのベッセルビームをそれぞれのサイドローブが打ち消しあうように重ね合わせる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５５３９８６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】レーザ研究３２（２００４）ｐｐ．３４８−３５８「ナノ秒パルスベッセルビームを用いたレーザマイクロドリル」、松岡、河野ら
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法を用いても、サイドローブを最大でも６％程度までしか低減することができないうえに、無視できない大きさのサイドローブが複数存在する。このような状態では、高アスペクト比の穴をあけようとして大パワーのレーザビームを照射すると、サイドローブにより加工対象に損傷を与えてしまうおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、サイドローブがさらに低減された多重ビームを生成することができる光学装置、光源装置、レーザ加工装置、回折光学素子、光ピックアップ、光ディスク装置及びレーザ装置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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る光学装置は、
入射するレーザ平行光束に基づくレーザ光束を所定の収束角で光軸上に収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる前記収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された前記収束角毎の前記ベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する多重ビーム生成手段と、
前記サイドローブの発生に寄与する前記レーザ平行光束又は前記多重ビームの通過を制限するビーム制限手段と、
を備える。
【０００９】
この場合、前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの強度を調整する強度調整手段をさらに備える、
こととしてもよい。
【００１０】
また、前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの位相を調整する位相調整手段をさらに備える、
こととしてもよい。
【００１１】
この場合、前記多重ビーム生成手段と、前記位相調整手段とは、同一の光学素子の出射面側と入射面側とにそれぞれ設けられている、
こととしてもよい。
【００１２】
また、前記多重ビーム生成手段は、
中心軸が前記光軸に一致し、かつ、頂角がそれぞれ異なる複数の円錐面を有し、
前記複数の円錐面により、前記レーザ平行光束を前記各頂角に対応する前記収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ光束を収束させる、
こととしてもよい。
【００１３】
この場合、前記多重ビーム生成手段では、
前記複数の円錐面のいずれかが形成された複数の光学素子が前記光軸の方向に配置されている、
こととしてもよい。
【００１４】
また、前記多重ビーム生成手段は、
前記光軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なる環状の複数のブレーズ回折格子を有し、
前記複数のブレーズ回折格子により、前記レーザ平行光束を前記各ブレーズ角に対応する前記収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ光束を収束させる、
こととしてもよい。
【００１５】
また、前記ビーム制限手段は、
前記多重ビームの有効ビーム半径の５倍以上の外周領域を通る前記レーザ平行光束の成分の通過を制限する、
こととしてもよい。
【００１６】
また、前記ビーム制限手段は、
前記多重ビーム生成手段から出射された前記多重ビームが入射する開口部と、
前記多重ビームにより前記開口部の開口像を結像させるアフォーカル光学系と、
を備える、
こととしてもよい。
【００１７】
また、径が異なる複数の輪帯開口部を有するアパーチャ部と、
前記アパーチャ部を通過したレーザ光束を集光するレンズと、
を備え、
前記アパーチャ部及び前記レンズにより、前記多重ビーム生成手段が構成され、
前記アパーチャ部により、前記ビーム制限手段が構成されている、
こととしてもよい。
【００１８】
本発明の第２の観点に係る光源装置は、
レーザ平行光束を発振するレーザ発振器と、
本発明の光学装置と、
を備える。
【００１９】
この場合、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ平行光束の径を拡大して前記光学装置に入射する拡大光学系をさらに備える、
こととしてもよい。
【００２０】
本発明の第３の観点に係るレーザ加工装置は、
本発明の光学装置を備え、
前記光学装置から出射される多重ビームを用いて、加工対象物を加工する。
【００２１】
本発明の第４の観点に係る回折光学素子は、
光軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なり、レーザ平行光束を前記各ブレーズ角に対応する収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ平行光束に基づくレーザ光束を収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる前記収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された前記収束角毎の前記ベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する複数の環状のブレーズ回折格子が、前記レーザ光束の出射面に設けられている。
【００２２】
この場合、前記レーザ平行光束の入射面に、前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの位相を調整する位相調整手段が設けられている、
こととしてもよい。
【００２３】
本発明の第５の観点に係る光ピックアップは、
本発明の光学装置から出射される多重ビームを、情報記録媒体の記録面に照射する。
【００２４】
本発明の第６の観点に係る光ディスク装置は、
本発明の光ピックアップと、
前記光ピックアップから出射される多重ビームを用いて、情報記録媒体に対する情報の記録、再生及び消去のうちの少なくとも１つを行なう処理装置と、
を備える。
【００２５】
本発明の第７の観点に係るレーザ装置は、
本発明の光学装置から出射される多重ビームを用いて所定の処理を行う。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、入射するレーザ平行光束から生成される複数のベッセルビームの多重ビームのサイドローブの発生に寄与するレーザ光束の通過が、ビーム制限手段により制限されるので、多重ビームのサイドローブをさらに抑圧することができる。このため、サイドローブがさらに低減された多重ビームを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図２】−Ｚ側から見た位相調整手段の外観図である。
【図３】−Ｚ側から見た強度調整手段の外観図である。
【図４】−Ｚ側から見たビーム制限手段の外観図である。
【図５】＋Ｚ側から見た多重ビーム生成手段の外観図である。
【図６】多重ビーム生成手段から出射されたレーザビームの詳細を示す模式図である。
【図７】第１のベッセルビームが生成される様子を説明するための図である。
【図８】第２のベッセルビームが生成される様子を説明するための図である。
【図９】アキシコンプリズムの拡大図である。
【図１０】他の多重ビーム生成手段を示す図である。
【図１１】ビーム制限手段がない場合に生成される第１のベッセルビームを示す図である。
【図１２】ビーム制限手段がない場合に生成される第２のベッセルビームを示す図である。
【図１３】第１のベッセルビームの強度分布を示すグラフである。
【図１４】第２のベッセルビームの強度分布を示すグラフである。
【図１５】ビーム制限手段がない場合に生成される第１のベッセルビームの強度分布を示すグラフである。
【図１６】ビーム制限手段がない場合に生成される第２のベッセルビームの強度分布を示すグラフである。
【図１７】多重ビームの強度分布（その１）を示すグラフである。
【図１８】ビーム制限手段がないときの多重ビームの強度分布を示すグラフである。
【図１９】多重ビームのビーム半径の伝播距離依存性（その１）を示すグラフである。
【図２０】多重ビームの最大強度の伝播距離依存性（その１）を示すグラフである。
【図２１】ガウシャンビームのビーム半径の変化（その１）を示すグラフである。
【図２２】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図２３】回折光学素子の拡大図である。
【図２４】本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図２５】本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図２６】多重ビームの強度分布（その２）を示すグラフである。
【図２７】多重ビームのビーム半径の伝播距離依存性（その２）を示すグラフである。
【図２８】多重ビームの最大強度の伝播距離依存性（その２）を示すグラフである。
【図２９】ガウシャンビームのビーム半径の変化（その２）を示すグラフである。
【図３０】本発明の第５の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図３１】本発明の第６の実施形態に係る光ディスク装置を構成する光ピックアップの光学的な構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１、ビーム拡大光学系２及びビーム変換手段３を備える。
【００３１】
レーザ発振器１は、波長λのレーザビームをパルス発振する。本実施形態では、レーザ発振器１から出射されるレーザビームの中心軸をＺ軸にとり、レーザビームの進行方向をＺ軸の正方向（＋Ｚ方向）として定義する。Ｚ軸方向に出射されるレーザビームは、平行光束であり、いわゆるガウシァンビームである。
【００３２】
ビーム拡大光学系２は、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム（平行光）を入射し、そのレーザビームの径を大きくして出射する。ビーム拡大光学系２は、レンズ４、５を備える。レンズ４の焦点距離をｆ４とし、レンズ５の焦点距離をｆ５とする。この場合、レンズ４とレンズ５との間隔をｆ４＋ｆ５に設定する。ｆ４＜ｆ５となっているので、レーザビームはその断面が拡大された平行光束としてビーム拡大光学系２から出射される。
【００３３】
ビーム変換手段３は、ビーム拡大光学系２から出射されたレーザビーム（平行光束）を入射して、ベッセルビームの多重ビームに変換して出力する。ビーム変換手段３は、位相調整手段６、強度調整手段７、ビーム制限手段８及び多重ビーム生成手段９を備える。位相調整手段６、強度調整手段７、ビーム制限手段８及び多重ビーム生成手段９の光軸はＺ軸に一致するように位置決めされている。
【００３４】
位相調整手段６は、ビーム拡大光学系２から出射されたレーザビームの位相を調整する光学部材である。図２には、レーザ発振器１側から見た位相調整手段６が示されている。図１及び図２を総合して示すように、位相調整手段６は、略円板形状の透明部材である。
【００３５】
位相調整手段６は、円形部６ａとリング状部６ｂとを備えている。円形部６ａは、円板状である。円形部６ａの中心は、Ｚ軸と一致している。図１に示すように、リング状部６ｂは、円形部６ａの周囲に設置された円形部６ａと同心の環状体である。円形部６ａ及びリング状部６ｂは、それぞれレーザビームを透過させるが、円形部６ａとリング状部６ｂとは、厚さが異なっている。この厚さの違いにより、円形部６ａを通過するレーザビームと、リング状部６ｂを通過するレーザビームとの間に位相差が生じる。
【００３６】
強度調整手段７は、位相調整手段６から出射されたレーザビームの強度を調整する光学部材である。図３には、レーザ発振器１側から見た強度調整手段７が示されている。図１及び図３に示すように、強度調整手段７は、円板状の部材である。強度調整手段７は、円形部７ａとリング状部７ｂとを備えている。
【００３７】
円形部７ａは、円板状である。円形部７ａの中心は、Ｚ軸と一致している。円形部７ａは、Ｚ軸方向に関して位相調整手段６の円形部６ａと重なっている。したがって、位相調整手段６の円形部６ａから出射されたレーザビームは、円形部７ａに入射される。
【００３８】
リング状部７ｂは、円形部７ａの周囲に設置された円形部７ａと同心円状の環状部である。リング状部７ｂは、Ｚ軸方向に関して位相調整手段６のリング状部６ｂと重なっている。したがって、位相調整手段６のリング状部７ａから出射されたレーザビームは、リング状部７ａに入射される。
【００３９】
円形部７ａとリング状部７ｂとでは透過率が異なる。この透過率の違いにより、円形部７ａから出射されるレーザビームと、リング状部７ｂから出射されるレーザビームとで、強度が異なるようになる。
【００４０】
ビーム制限手段８は、強度調整手段７から出射されたレーザビームの一部を制限する光学部材である。図４には、−Ｚ側から見たビーム制限手段８が示されている。図１及び図４に示すように、ビーム制限手段８は、略円板状である。
【００４１】
ビーム制限手段８は、透過部８ａ、８ｂを有する。透過部８ａ、８ｂは、同心の環状体であり、透過部８ａ、８ｂを除くビーム制限手段８の他の部分は、遮光帯である。透過部８ａは、Ｚ軸方向に関して強度調整手段７の円形部７ａの一部と重なっている。したがって、強度調整手段７の円形部７ａから出射されたレーザビームは、透過部８ａに入射し、その一部（環状の断面の内周縁部及び外周縁部）の通過が制限された状態で出射される。透過部８ｂは、Ｚ軸方向に関して強度調整手段７のリング状部７ｂの一部と重なっている。したがって、強度調整手段７の円形部７ｂから出射されたレーザビームは、透過部８ｂに入射し、その一部（環状の断面の内周縁部及び外周縁部）の通過が制限された状態で、出射される。
【００４２】
多重ビーム生成手段９は、ビーム制限手段８の透過部８ａ、８ｂから出射されたレーザビームを入射する。多重ビーム生成手段９では、レーザビームを入射する入射面が平面状となっている。図５には、＋Ｚ側から見た多重ビーム生成手段９が示されている。図１及び図５に総合して示すように、多重ビーム生成手段９のレーザビームの出射面には、円錐面９ａ、９ｂが設けられている。円錐面９ａ、９ｂは、それぞれＺ軸（光軸）を中心対称軸とする円錐体の側面の一部である。円錐面９ａ、９ｂは、互いに頂角が異なる。Ｓ面は、円錐面９ａの頂点を通過し、Ｚ軸に直交する平面である。
【００４３】
ビーム制限手段８の透過部８ａから出射されたレーザビームは、−Ｚ側から多重ビーム生成手段９の入射面に入射し、円錐面９ａの傾きに対応した角度で、光軸（レーザビームの中心）方向（Ｚ軸方向）に交差する方向に屈折して出射される。このレーザビームは、Ｚ軸に関して軸対称なビームとなる。また、ビーム制限手段８の透過部８ｂから出射されたレーザビームは、−Ｚ側から多重ビーム生成手段９の入射面に入射し、円錐面９ｂの傾きに対応した角度で、光軸（レーザビームの中心）方向（Ｚ軸方向）に交差する方向に屈折して出射される。このレーザビームも、Ｚ軸に関して軸対称なビームとなる。
【００４４】
ここで、図６に示すように、円錐面９ａから出射されたレーザビームを屈折波ａとし、円錐面９ｂから出射されたレーザビームを屈折波ｂとする。Ｚ軸とＲ面との交点を点Ｐとする。屈折波ａ、ｂは、点Ｐ付近で、Ｚ軸と交差する。
【００４５】
屈折波ａの強度分布は、Ｚ軸に直交するＲ面、点Ｐ付近で、第１種０次ベッセル関数の２乗にほぼ比例する強度分布となる。屈折波ｂの強度分布は、Ｚ軸に直交するＲ面付近で、第１種０次ベッセル関数の２乗にほぼ比例する強度分布となる。すなわち、多重ビーム生成手段９は、図７に示すように、屈折波ａに基づくベッセルビームａ１（第１のベッセルビーム）と、図８に示すように、屈折波ｂに基づくベッセルビームｂ１（第２のベッセルビーム）との両方を生成する。θa、θbは、円錐面９ａ、９ｂから出射されたレーザビームの収束角である。
【００４６】
レーザ加工装置１００の光学系な構成についてまとめる。多重ビーム生成手段９は、円錐面９ａ、９ｂにより、そのレーザビームを所定の収束角θa、θbでＺ軸上に収束させることにより、ベッセルビームａ１、ｂ１を生成する。すなわち、多重ビーム生成手段９は、ベッセルビームを異なる収束角θa、θbでそれぞれ生成する。さらに、多重ビーム生成手段９は、複数のベッセルビームａ１、ｂ１を、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する。
【００４７】
位相調整手段６は、ベッセルビームａ１、ｂ１の位相が、図６の点Ｐで一致するように、レーザ平行光束の各部の位相を調整する。これにより、屈折波ａ、ｂに位相差が生じる。すなわち、位相調整手段６は、収束角θa、θb毎に生成されるベッセルビームａ１、ｂ１の位相を調整する。
【００４８】
強度調整手段７は、ベッセルビームａ１、ｂ１が、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように、レーザ平行光束の各部の強度を調整する。これにより、屈折波ａ、ｂに強度差が生じる。すなわち、強度調整手段７は、収束角θa、θb毎に生成されるベッセルビームａ１、ｂ１の強度を調整する。
【００４９】
ビーム制限手段８は、多重ビーム生成手段９によって合成された多重ビームのサイドローブの発生に寄与するレーザ平行光束の通過を制限する。多重ビームのサイドローブの発生に寄与するのは、各ベッセルビームの断面における外周側のビーム成分である。このビーム成分を生成するのは、強度調整手段７の円形部７ａから出射された断面環状のレーザビームのその断面の内周部及び外周部と、強度調整手段７の円形部７ｂから出射された断面環状のレーザビームのその断面の内周部及び外周部である。そこで、ビーム制限手段８は、これらの部分の通過を制限する。
【００５０】
以上の構成要素を有するレーザ加工装置１００は、Ｒ面に設置された加工対象物１０の穴あけ加工を行う。加工対象物１０にあけられる穴の径は、最終的に生成された多重ビームの径によって決まる。
【００５１】
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の動作について説明する。
【００５２】
レーザ発振器１から出射されたレーザビームのビーム径は、ビーム拡大光学系２で、ｆ５／ｆ４倍に拡大された後、レーザ平行光束として、ビーム変換手段３に入射する。ビーム変換手段３に入射したレーザビームは、位相調整手段６で位相が調整され、強度調整手段７で強度が調整されて、ビーム制限手段８に入射される。
【００５３】
ビーム制限手段８は、入射したレーザビームの一部を制限し、透過部８ａを通過した断面が環状のレーザビームと、透過部８ｂを通過した断面が環状のレーザビームとに分割する。透過部８ａを通過したレーザビームは、多重ビーム生成手段９に入射し、円錐面９ａでＺ軸側に屈折され、点Ｐ近傍で、ベッセルビームａ１を形成する。透過部８ｂを通過したレーザビームは、多重ビーム生成手段９に入射し、円錐面９ｂでＺ軸側に屈折され、点Ｐ近傍で、ベッセルビームｂ１を形成する。これらベッセルビームａ１、ｂ１が干渉することにより、多重ビームが形成され、この多重ビームにより、Ｒ面に設置された加工対象物１０の穴あけ加工が行われる。ベッセルビームａ１、ｂ１の重ね合わせや、ビーム制限手段８による多重ビームのサイドローブの低減により、アスペクト比の高い穴をあけることができる。
【００５４】
ここで、多重ビーム生成手段９によるベッセルビームの生成原理をより明らかにすべく、まず、アキシコンプリズムによるベッセルビームの生成方法について説明する。
【００５５】
図９には、アキシコンプリズム１１が示されている。図９に示すように、アキシコンプリズム１１は、入射面が平面となっており、出射面が円錐面となっている。アキシコンプリズム１１の入射面には、平行光束（平面波）が入射する。この平面波は、円錐面で屈折され、屈折波となってＺ軸と交差する。
【００５６】
一般に、この屈折波が十分な幅を有するとき、その屈折波がＺ軸と交差する付近（図９でハッチングされた部分）では、屈折波の干渉により、ベッセルビームが生成される。なお、このベッセルビームの生成についての参考文献としては、例えば以下のものがある。
BesselBeams:diffraction in a new Light, D.Mcglpon and K.Dholakia, Comtemporary Physics, Vol.46, No.12005pp.15-28
【００５７】
光軸（Ｚ軸）からの距離をｒとしたときのベッセルビームの振幅ｕ（ｒ）は次式で与えられる。
【数１】
ここで、Ａは、レーザビームの振幅である。また、ｋr、ｋzは、レーザビームのｒ方向、ｚ方向の波数である。屈折波がｚ軸となす角（以下では、「収束角」と呼ぶ）をθとし、レーザビームの波数をｋ＝２π／λとすると、ｋr、ｋzは、次式のようになる。
【数２】
このベッセルビームの強度分布Ｉ（ｒ）は、次式のように、ｕ（ｒ）の絶対値の２乗で与えられる。
【数３】
上記（３）式からも明らかなように、このベッセルビームは、その伝播に伴ってそのビーム形状を変化させることはない。
【００５８】
図１０には、ビーム変換手段３の構成要素のうち、位相調整手段６及び多重ビーム生成手段９だけを抜き出して構成したビーム変換手段１３が示されている。
【００５９】
図１０に示すように、ビーム変換手段１３には、ビーム制限手段８が設けられておらず、平行平面波であるレーザビームは、制限されることなくそのまま多重ビーム生成手段９に入射するので、多重ビーム生成手段９から出射される屈折波ａ、ｂの幅は、ベッセルビームを発生させるのに十分に大きいものとみなすことができる。
【００６０】
多重ビーム生成手段９は、アキシコンプリズム１１と同様に、円錐面（具体的には円錐面９ａ、９ｂ）を有している。平面波を入射すると、円錐面９ａから出射した屈折波ａによって、図１１に示すように、ベッセルビームａ２が生成され、円錐面９ｂから出射した屈折波ｂによって、図１２に示すように、ベッセルビームｂ２が生成される。なお、ここでは、ビーム制限手段８により、レーザビームの制限が考慮されていないので、これらのベッセルビームをそれぞれベッセルビームａ２、ｂ２と呼ぶ。
【００６１】
加工対象物１０の表面付近のレーザビームの振幅ｕ（ｒ）は、収束角の異なる２つの屈折波ａ、ｂによりそれぞれ発生する２つのベッセルビームａ２、ｂ２の重ね合わせであり、次式で与えられる。
【数４】
ここで、ｚは、多重ビーム生成手段９の頂点から加工対象物１０の表面付近の点Ｐまでの距離である。また、ｋra、ｋrb、ｋza、ｋzbは、屈折波ａ、ｂのｒ方向、ｚ方向の波数である。屈折波ａ、ｂの収束角を、θa、θbとすると、波数ｋra、ｋrb、ｋza、ｋzbは、以下の（５）式、（６）式で与えられる。
【数５】
また、Ａ、Ｂは、複素係数である。
【００６２】
ここで、上記（４）式のＥｘｐ（ｉｋzaｚ）、Ｅｘｐ（ｉｋzbｚ）で表されるレーザビームの位相が、Ｓ面からの距離がｚである点Ｐで一致するように、位相調整手段６によって生ずる位相差を設定する。このとき、第１項と第２項に共通の位相因子を無視すると、上記（４）式は、次式で表される。
【数６】
ここで、係数Ａ’、Ｂ’は実数である。このとき、点ＰでＡ’、Ｂ’は実数となるが、Ａ’、Ｂ’には、それぞれＥｘｐ（ｉｋzaｚ）、Ｅｘｐ（ｉｋzbｚ）で示されるｚ依存性が存在するので、そこからｚ方向にずれた位置では２つの擬似的なベッセルビームａ２、ｂ２の相対位相がずれてビーム形状が変化する。この変化は周期的であり、その周期は、
【数７】
となる。波数ｋzaと波数ｋzbとの差が小さい場合には、周期が大きくなり、ビーム形状が広い範囲にわたり保たれる。
【００６３】
なお、上記（４）式のＥｘｐ（ｉｋzaｚ）、Ｅｘｐ（ｉｋzbｚ）で表される位相が点Ｐで一致するように、Ｓ面から点Ｐまでの距離ｚを予め選んでおけば、位相調整手段６を設けなくてもよいが、位相調整手段６を設けておけば、Ｓ面から点Ｐまでの距離を自由に設定することができるという利点がある。
【００６４】
このように、２つのベッセルビームの相対位相がずれても、Ｚ軸方向に２π／（ｋza−ｋzb）だけずれた位置では、相対位相のずれが２πの整数倍となり、ビーム形状が回復する。本実施形態では、ビーム制限手段８が設けられているため、点Ｐ以外の相対位相の一致点で収束波が存在しない可能性が高くなるので、位相調整手段６の必要性が増す。
【００６５】
しかしながら、前述のように、ビーム変換手段３には、ビーム制限手段８が設けられている。ビーム制限手段８が設けられている場合、多重ビーム生成手段９の頂点からｚの距離にあるＺ軸に垂直な面（Ｒ面）での振幅分布ｕ（ｒ）は、次式のように、それぞれ屈折波ａ、ｂに起因する項ｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）の重ね合わせとなる。
【数８】
ｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）を解析的に求めることは困難であるが、フレネル近似による数値計算で求めることができる。アキシコンプリズムの頂角が十分小さいとすると、ｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）は、定数因子を除いて次式で与えられる。
【数９】
ここで，ｒ’は、Ｓ面上での動径（原点からの距離）であり、ｒは、Ｒ面上での動径である。ｒa、ｒbは、それぞれ、ビーム中心（円錐の頂点）から、ビーム制限手段８の透過部８ａ、８ｂのＳ面における幾何光学的投影像の中央までの距離である。また、ｄa、ｄbは、Ｓ面における透過部８ａ、８ｂの幾何光学的像の幅の１／２である。
【００６６】
ｈa（ｒ’）、ｈb（ｒ’）は、円錐面９ａ、９ｂでのレーザビームの位相ずれを表している。レーザビームの強度は振幅の絶対値の２乗で表されるので、ｕa（ｒ）＋ｕb（ｒ）、ｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）に対応する強度分布Ｉ（ｒ）、Ｉａ（ｒ）、Ｉb（ｒ）は、（１３）式、（１４）式、（１５）式で表される。
【数１０】
また、屈折波ａ、ｂの収束角θa（ｒ）、θb（ｒ）は、次式のようになる。
【数１１】
これらの式を用いて、レーザ発振器１に、炭酸ガスレーザを用いた場合について数値計算する。λ＝９．６μｍ、ｒa=８２８.５ｍ、ｒb=１４７１．８μｍ、ｄa=ｄb=２００μｍ、ｚ＝２０ｍｍとすると、屈折波ａ、ｂの収束角θa、θbは、それぞれθa＝０．０４１４０ｒａｄ、θb＝０．０７３４６ｒａｄとなる。
【００６７】
これらの値を、上記（１４）式、上記（１５）式に入力すると、加工対象物１０の表面での屈折波ａ、ｂに対応する２つのベッセルビームａ１、ｂ１の強度分布が求められる。
【００６８】
図１３に、このようにして求められたベッセルビームａ１の強度分布｜ｕa（ｒ）｜2／｜ｕa（０）｜2が示されている。また、図１４に、同様にして求められたベッセルビームｂ１の強度分布｜ｕb（ｒ）｜2／｜ｕb（０）｜2が示されている。このように、ベッセルビームａ１、ｂ１の強度分布は、ビーム中央最大値で規格化されている。
【００６９】
一方、図１５、図１６には、ベッセルビームａ１、ｂ１と同一の収束角を有し、ビーム変換手段３をビーム変換手段１３に置き換えた場合に生成されるベッセルビームａ２、ｂ２の強度分布が示されている。ベッセルビームａ２、ｂ２の強度分布は、上記（３）式から求められる。ベッセルビームａ２、ｂ２の強度分布についても、図１３、図１４と同様に、ビーム中央最大値で規格化されている。
【００７０】
図１３及び図１４と、図１５及び図１６とを比較するとわかるように、ベッセルビームａ１、ｂ１は、中央ではベッセルビームａ２、ｂ２とよく一致するが、周辺ではベッセルビームに比べてビーム強度が低下している。これは、ビーム変換手段３では、ビーム制限手段８により、屈折波ａ、ｂの一部が遮断されているためである。
【００７１】
２つのベッセルビームａ１、ｂ１を重ね合わせた多重ビームの振幅分布ｕ（ｒ）は、定数因子を除くと、次式で表される。
【数１２】
ここで、Ｃaは、定数である。この定数を２つのベッセルビームａ１、ｂ１のサイドローブが互いに打ち消しあうように定める。図１７には、Ｃa＝０．４３４としたときの多重ビームの強度分布が示されている。図１７に示すように、合成されたベッセルビームａ１、ｂ１のサイドローブの強度は、主ビームの４％以下となる。
【００７２】
強度調整手段７は、この定数Ｃaを設定するためのものである。すなわち、強度調整手段７によるレーザビームの強度調整により、Ｃaが決まる。位相調整手段６は、上述したように、ｚ=２０ｍｍの点Ｐでベッセルビームの位相を一致させるように、屈折波ａ、ｂの位相を調整する。
【００７３】
これに対して、図１８には、ビーム変換手段１３を除いた場合に生成されるベッセルビームａ２、ｂ２の多重ビームの強度分布が示されている。
【００７４】
図１８に示すように、この多重ビームには、６％程度のサイドローブが発生する。このサイドローブは、ビーム変換手段３を用いた場合に、ビーム制限手段８によってレーザビームの中心から離れた領域の成分が遮断されることにより、抑制されていたものである。図１７及び図１８を比較するとわかるように、ビーム制限手段８が、中央から離れた位置に出現するサイドローブを抑制する効果を呈することが明らかである。
【００７５】
ビーム制限手段８が設けられていなくても、２つのベッセルビームａ２、ｂ２それぞれのサイドローブを、広い範囲に渡って互いに打ち消しあうようにベッセルビームａ２、ｂ２の強度割合を設定することは可能である。しかしながら、広い領域のすべてでベッセルビームａ２、ｂ２のサイドローブが完全に打ち消しあうような条件を見つけるのは、極めて困難であり、ビーム制限手段８によってビーム幅を制限し、狭い領域でのみサイドローブが打ち消しあうようにすれば、サイドローブの低減が、著しく容易になる。
【００７６】
ビーム制限手段８によって許容されたビーム存在領域の広さと、サイドローブの抑制効果とはトレードオフの関係にある。本実施形態では、多重ビームの有効ビーム半径（約４０μｍ程度、加工対象物１０の加工穴の半径にほぼ一致する）に対して、その約５倍（２００μｍ）以上の領域をビーム制限手段８の制限領域とした。これよりも広い範囲にすると図１８に示される６％のサイドローブの影響がでてくるためである。
【００７７】
次に、生成されたベッセルビームａ１、ｂ１の多重ビームの特性について、さらに、図１９、図２０を参照して説明する。図１９には、多重ビームのビーム半径の伝播距離依存性が示され、図２０には、多重ビームの最大強度の伝播距離依存性が示されている。
【００７８】
ここで、ビーム半径とは、後述するガウシャンビームと比較するため強度が最大値の１／ｅ2になる半径（１／ｅ2半径）のことである。図１９に示すグラフは、伝播距離ｚ＝２０ｍｍ（２００００μｍ）におけるビーム半径を基準とし、それを１としたときの伝播距離に対するビーム半径の変化を示したものである。なお、基準となるｚ＝２０ｍｍ（点Ｐ）における１／ｅ2半径は４４μｍである。
【００７９】
図２０に示すグラフは、伝播距離ｚ＝２０ｍｍ（点Ｐ）における強度を基準とし、それを１としたときの伝播距離に対するビーム強度の変化を示したものである。
【００８０】
図１９、図２０に示すように、ｚ＝１９４００〜２０３５０μｍの範囲で、強度変化が１０％以内となっており、ビーム半径の変化が２％以内となっている。
【００８１】
この特性を最も一般的なガウシャンビームと比較する。ガウシャンビームは位相因子を無視した振幅分布ｕ（ｒ）、強度分布Ｉ（ｒ）が、それぞれ（１８）式、（１９）式で与えられるビームである。
【数１３】
ここで、上記（２０）式で与えられるｗ（ｚ）は、１／ｅ2半径であり、ｗ0はビームが最も細くなるところでの１／ｅ2半径である。また、ｚは、レーザビームが最も小さくなる点からの伝播距離である。
【００８２】
図２１には、（２０）式を用いてガウシャンビームのビーム半径の変化の様子が示されている。図１９と比較するため、ｗ0=４４μｍとし、ｚ＝２０ｍｍの地点でビーム半径が最も細くなるようにした。図１９と図２１とを比較すると、ガウシァンビームよりも、本実施形態に係る多重ビームの方が、広い範囲にわたってビーム強度とビーム半径とが保たれているのがわかる。この特性により、本実施形態の多重ビームは、高アスペクト比の穴の加工に好適となる。
【００８３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００８４】
図２２には、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成が示されている。図２２に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、位置調整手段６及び多重ビーム生成手段９の代わりに、回折光学素子１８を備える点が、上記第１の実施形態と異なっている。回折光学素子１８は、ブレーズ回折格子を有する回折光学素子である。
【００８５】
より具体的には、図２３に示すように、回折光学素子１８は、ブレーズ回折格子が設けられた輪帯部１８ａ、１８ｂを有している。輪帯部１８ａ、１８ｂは、Ｚ軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なる複数の環状のブレーズ回折格子である。輪帯部１８ａ、１８ｂは、それぞれブレーズ角が異なる。輪帯部１８ａ、１８ｂは、それぞれ多重ビーム生成手段９の円錐面９ａ、９ｂと同様の機能を発揮する。輪帯部１８ａ、１８ｂにより、レーザ平行光束を、各ブレーズ角に対応する収束角θa、θbでＺ軸に向かって屈折させて、レーザビームを収束させる。これにより、上記第１の実施形態と同様に、ベッセルビームａ１、ｂ１が、異なる前記収束角でそれぞれ生成され、生成された収束角θa、θb毎のベッセルビームが、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせられ、多重ビームが生成される。
【００８６】
また、レーザビームの入射面には、表面の回折光学素子の中心と同心の平面状の輪帯部１８ｃと、円形の凹部１８ｄとが形成されている。輪帯部１８ｃに対する凹部１８ｄの深さを調整することにより、屈折波ａ、ｂの位相差を調整することができる。すなわち、本実施形態では、多重ビーム生成手段は、回折光学素子１８の出射面側に形成され、位相調整手段は、回折光学素子１８の入射面側に形成されている。
【００８７】
このように、位相調整手段６及び多重ビーム生成手段９を、１枚の回折光学素子１８に代えれば、各光学素子のアラインメントが容易となる。この結果、光路の揺らぎなどの影響を抑え、光学的な安定性を高めることができる。また、ブレーズ型の回折光学素子１８は、多重ビーム生成手段９よりも薄くすることができるので、装置全体を小型化することができる。
【００８８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００８９】
図２４には、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成の一部が示されている。図２４に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、ビーム制限手段８の代わりに、ビーム制限手段１９を備える点が、上記第１の実施形態と異なっている。ビーム制限手段１９は、多重ビーム生成手段９の後段に設けられている。
【００９０】
図２４に示すように、ビーム制限手段１９は、アパーチャ２０、レンズ２１、２２を備える。アパーチャ２０は、多重ビーム生成手段９から出射された多重ビームが通過する開口部を有する。レンズ２１、２２の焦点距離は、互いにｆであり、同一である。また、レンズ２１、２２は、それらの間隔が２ｆとなるように設置される。さらに、アパーチャ２０とレンズ２１との距離は、ｆとなるように設置される。また、レンズ２２と加工対象物１０との距離はｆとなるように設置される。
【００９１】
ビーム制限手段１９は、アパーチャ２０の開口像を結像させるアフォーカル光学系である。このようにすると、アパーチャ２０の像がビーム制限手段１９により、加工対象物１０の表面に倍率１で結像するようになる。このアパーチャ２０により、加工中心から離れた位置のビーム成分が遮断され、その通過が制限されるので、加工対象物１０の表面に、到達する多重ビームは、加工位置近傍のみ強度を有するスポット光となる。
【００９２】
なお、ここではレンズ２１、２２の焦点距離を同一のｆとしたが、それぞれ異なる焦点距離を有するものを採用することもできる。ここで、レンズ２１、２２各々の焦点距離をｆ２１、ｆ２２とする。この場合には、レンズ２１、２２の距離をｆ２１とｆ２２との和となるように両レンズ２１、２２を設置すれば、レンズ２１、２２による倍率は、ｆ２２／ｆ２１となる。
【００９３】
したがって、アパーチャ２０の像が加工対象物１０の表面で結像するようにアパーチャ２０、加工対象物１０、レンズ２１、２２の位置関係を調整した上でアパーチャ２０の開口径を加工対象物１０の表面で制限したいビームの径のｆ２１／ｆ２２倍にすれば、所望の径の穴を加工対象物１０に開けることができる。
【００９４】
また、ｆ２１＞ｆ２２とするとアパーチャ２０の開口径を大きくとることができるので、ビーム強度が大きい場合にも、アパーチャ２０の損傷を防止することができる。
【００９５】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００９６】
図２５には、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成が示されている。本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、ビーム変換手段３の代わりに、ビーム変換手段３１を備えている点が、上記第１の実施形態と異なる。
【００９７】
ビーム変換手段３１は、位相調整手段３２、強度調整手段３３、ビーム制限手段３４及び多重ビーム生成手段３５を備える。
【００９８】
位相調整手段３２は、上記第１の実施形態に係る位相調整手段６と同様に、入射したレーザビームの位相を調整する。ただし、位相調整手段６が、レーザビームの位相を、２段階に調整しているのに対し、位相調整手段３２は、レーザビームの位相を３段階に調整する。
【００９９】
強度調整手段３３は、上記第１の実施形態に係る強度調整手段７と同様に、レーザビームの強度を調整する。ただし、強度調整手段７が、レーザビームの位相を、２段階に調整しているのに対し、強度調整手段３３は、位相調整手段３２によって位相が３段階に調整された各レーザビームの強度を３段階に調整する。
【０１００】
ビーム制限手段３４は、上記第１の実施形態に係るビーム制限手段８と同様に、レーザビームの一部を制限する。ただし、ビーム制限手段８が、レーザビームを２つに分割し、２つのレーザビームの一部を制限しているのに対し、ビーム制限手段３４は、３重の環状の透過部３４ａ、３４ｂ、３４ｃを有し、レーザビームを断面が環状の３つのレーザビームに分割し、それらの３つのレーザビームの一部を制限する。
【０１０１】
多重ビーム生成手段３５は、上記第１の実施形態に係る多重ビーム生成手段９と同様に、入射したレーザビームに基づいて複数のベッセルビームを生成する。生成された複数のベッセルビームが干渉することにより、多重ビームが生成される。多重ビーム生成手段３５は、３つの異なる頂角を有し、中心対称軸が同軸の円錐面３５ａ、３５ｂ、３５ｃを有する。円錐面３５ａは、円錐面３５ｂに接しており、円錐面３５ｂは、円錐面３５ｃに接している。
【０１０２】
多重ビーム生成手段３５は、実際には、光学素子３６、３７、３８がＺ軸上に配置されることにより構成されている。光学素子３６に円錐面３５ａが設けられ、光学素子３７に円錐面３５ｂが設けられ、光学素子３８に円錐面３５ｃが設けられている。
【０１０３】
ビーム制限手段３４から出射されたレーザビームは、−Ｚ側から多重ビーム生成手段３５の入射面に入射し、円錐面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ各々の傾きに対応した収束角θa、θb、θcで、光軸（レーザビームの中心）方向（Ｚ軸方向）に交差する方向に屈折して出射される。円錐面３５ａ、３５ｂ、３５ｃから出射されるレーザビームを、それぞれ屈折波ａ、ｂ、ｃと呼ぶ。屈折波ａ、ｂ、ｃの振幅は、上記第１の実施形態と同様に、以下の（２１）〜（２６）式で与えられる。
【数１４】
【０１０４】
ここで、ｒ’は、Ｓ面上での動径であり、ｒは、Ｒ面上での動径である。ｒa、ｒb、ｒcは、それぞれ、ビーム中心（円錐の頂点）から、Ｓ面におけるビーム制限手段３４の透過部３４ａ、３４ｂ、３４ｃの幾何光学的投影像の中央までの距離である。また、ｄa、ｄb、ｄcは、それぞれ、Ｓ面における透過部３４ａ、３４ｂ、３４ｃの幾何光学的像の幅の１／２である。ｈa（ｒ’）、ｈb（ｒ’）、ｈc（ｒ’）は、屈折波ａ、ｂ、ｃの位相ずれを表している。
【０１０５】
レーザビームの強度は振幅の絶対値の２乗で表されるので、多重ビームｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）、ｕc（ｒ）の和のビーム強度は次式で表される。
【数１５】
３つのベッセルビームを重ね合わせたビームの振幅分布は、定数因子を除いて次式で表される。
【数１６】
ここで、ｃa、ｃbは、定数である。この定数ｃa、ｃbを、３つのビームのサイドローブが互いに打ち消しあうように定める。例えば、λ＝９．６μｍ、ｒa＝６４５μｍ、ｒb=１３４３μｍ、ｒc=２０６０μｍ、ｄa=ｄb=ｄc=２００μｍ、ｚ＝２０ｍｍとすると、屈折波ａ、ｂ、ｃの収束角θa（ｒ）、θb（ｒ）、θc（ｒ）を、次式より求めることができる。
【数１７】
ここで、θa＝０．０３２２３ｒａｄ、θb＝０．０６７０７ｒａｄ、θc＝０．１０２６ｒａｄとなる。θa=０．２２３６、θb=０．３６６２とすると、図２６に示すように、多重ビームのサイドローブの強度は、主ビームの１．２％以下となる。強度調整手段３３はこの係数ｃa、ｃbを設定するためのものである。
【０１０６】
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置１００により達成されたレーザビームの特性について、図２７、図２８を参照して説明する。図２７には、ビーム半径の伝播距離依存性が示され、図２８には最大強度の伝播距離依存性が示されている。図２７に示すグラフは、ビーム半径とは、ガウシャンビームと比較するため強度が最大値の１／ｅ2になる半径（１／ｅ2半径）をｚ＝２０ｍｍにおける半径を基準として計算したものである。基準となるｚ＝２０ｍｍにおける１／ｅ2半径は３５．４μｍであった。図２８では、レーザビームの強度は、ｚ＝２０ｍｍの強度を基準として示している。図２７、図２８に示すように、ｚ＝１９７３０μｍ〜２０２００μｍの範囲で、多重ビームの強度の変化が１０％以内、多重ビームのビーム半径の変化が２％以内となっている。
【０１０７】
この多重ビームの特性を、一般的なガウシャンビームと比較する。図２９には、（１９）式を用いてガウシャンビームのビーム半径の変化のシミュレーション結果が示されている。図２９では、図２７と比較するため、ｗ0=３５．４μｍとし、ｚ＝２０ｍｍの点でビーム半径が最も細くなるようにした。
【０１０８】
図２７及び図２９を比較すると明らかなように、本実施形態に係る多重ビームの方が、広い範囲にわたって強度と半径を保っているのがわかる。また、多重ビームでは、サイドローブの強度が、主ビームの１．２％以下となっている。これにより、本実施形態に係るレーザ加工装置１００により生成される多重ビームは、高アスペクト比の穴加工により好適となる。
【０１０９】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
【０１１０】
本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、ビーム変換手段３の代わりに、図３０に示すビーム変換手段６１を備える点が、上記第１の実施形態に係るレーザ加工装置１００と異なっている。
【０１１１】
図３０に示すように、ビーム変換手段６１は、強度調整手段６２及び多重ビーム生成手段６３を備える。強度調整手段６２は、上記第１の実施形態に係る強度調整手段７と同じ機能を有する。多重ビーム生成手段６３は、マスク６４及びレンズ６５を備える。マスク６４は、径の異なる２つの細い輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂを有する。
【０１１２】
輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂをそれぞれ通過したレーザビームは、レンズ６５の集光点付近にベッセルビームａ３、ベッセルビームｂ３を発生させる（例えば、久保田広著、「波動光学」ｐ．２７９参照；岩波書店、他）。
【０１１３】
輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂの開口幅を、極端に細くする必要はない。むしろ、輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂの開口部の幅を適当に選ぶことによって、回折の原理により、加工対象物１０に当接する多重ビームのビーム幅を制御することができる（幅を大きくとると加工部のビーム幅は小さくなる）。すなわち、マスク６４は、ビーム制限手段としても機能する。また、ビーム幅を大きくとるということは入射ビームの利用効率が良くなるという点において好ましい。
【０１１４】
なお、レンズ６５は、平行光束のレーザビームを入射して、後側焦点位置に集光させるので、レンズ６５に入射するレーザビームを絞るマスク６４と、レンズ６５との相対位置関係を厳密に規定する必要はない。すなわち、マスク６４は、例えばレンズ６５の前側焦点位置に配置するなどの正確な位置決めをする必要はない。
【０１１５】
本実施形態によれば、レンズ６５の集光位置においては輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂ各々の透過光の位相が一致するため、位相調整手段６が不要になる。ただし、強度調整手段６２で位相差が発生しない場合に限る。また、複数のアキシコンプリズム等の位置合わせが不要となるので、ベッセルビームの多重化がより容易になる。
【０１１６】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
【０１１７】
上記各実施形態では、レーザ加工装置１００について説明したが、本実施形態では、光ディスク装置に本発明を適用する場合について説明する。
【０１１８】
図３１には、本実施形態に係る光ディスク装置１０２の光学的な構成が示されている。図３１に示すように、光ディスク装置１０２は、光ピックアップ１０１と、再生部９０とを備える。
【０１１９】
光ピックアップ１０１は、半導体レーザ７１、コリメータレンズ７２、整形プリズム７３、回折格子７４、アパーチャ７５、偏光ビームスプリッタ７６、１／４波長板７７、対物レンズ７８、アクチュエータ７９及び信号検出部８０を備える。
【０１２０】
半導体レーザ７１から出射されたレーザビームは、コリメータレンズ７２で平行光束に変換され、整形プリズム７３で断面が円形に整形される。整形プリズム７３から出射されたレーザビームは、回折格子７４を通過した後、アパーチャ７５により、断面が２重輪帯状のレーザビームに変換される。本実施形態では、このアパーチャ７５が、上記第５の実施形態に係るマスク６４に対応する。
【０１２１】
アパーチャ７５から出射された断面２重輪帯状のレーザビームは、偏光ビームスプリッタ７６、１／４波長板７７を経て、対物レンズ７８により、ディスク８１の表面に集光する。本実施形態では、この対物レンズ７８が、上記第５の実施形態に係るレンズ６５に対応する。
【０１２２】
この集光によりディスク８１の表面に生成されるビームスポットは、２重輪帯状のレーザビーム各々によって生成されるベッセルビームの多重ビームに基づくものである。すなわち、ディスク８１の表面に、スポット径が小さく、かつ、焦点深度の大きいビームスポットが形成される。
【０１２３】
アクチュエータ７９は、レーザビームがディスク８１の表面に集光するように対物レンズ７８の光軸方向の位置を制御している。
【０１２４】
ディスク８１の表面で反射され、ディスク８１に記録された情報を含んだ反射ビームは、対物レンズ７８、１／４波長板７７を逆行し、偏光方向が変化しているため偏光ビームスプリッタ７６で反射され、信号検出部８０に導かれる。信号検出部８０は、この反射ビームの検出結果に対応する信号、すなわちディスク８１に記録された情報を含んだ信号を検出する。
【０１２５】
再生部９０は、信号検出部８０で検出された信号に基づいて、ディスク８１に記録された情報を再生する。
【０１２６】
本実施形態では、アパーチャ７５と対物レンズ７８の組み合わせにより生成される２重のベッセルビームの多重ビームにより、焦点深度の大きいビームスポットを形成しているので、アクチュエータ７９による対物レンズ７８のフォーカス合わせが容易になるという利点がある。
【０１２７】
本実施形態では、多重ビームのサイドローブが抑制されているため、信号検出部８０により検出される信号に含まれるノイズ成分を低減することができる。この結果、情報の再生品質が向上する。
【０１２８】
なお、本実施形態では、光ピックアップ１０１に、強度調整手段が組み込まれていない。強度調整手段を組み込まなくても、アパーチャ７５の輪帯の幅を調節することにより、ベッセルビームの強度比を調節できるからである。このことは、上記第５の実施形態に係るレーザ加工装置１００についても同様である。強度調整手段を設けると、強度比の調整を広い範囲で行うことができるが、多少の調整であればアパーチャ７５の輪帯の幅を変えることにより、対応可能である。
【０１２９】
なお、本実施形態は、光ディスク装置１０２は、情報を再生を行う装置であったが、本発明は、情報の記録又は消去を行う光ディスク装置にも適用可能である。すなわち、本発明は、情報の再生、記憶及び消去の少なくとも１つを行う光ディスク装置に適用可能である。
【０１３０】
なお、上記各実施形態では、加工対象物１０への穴あけを行うレーザ加工装置や、光ピックアップに本発明を適用する場合について説明したが、本発明はこれには限られない。本発明は、スポット径を小さくして、なおかつ、焦点深度を大きくするのが望ましいあらゆるレーザ装置に好適である。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明は、レーザ加工装置など、レーザを用いて所定の処理を行うレーザ装置に好適である。
【符号の説明】
【０１３２】
１ レーザ発振器
２ ビーム拡大光学系
３ ビーム変換手段
４、５ レンズ
６ 位相調整手段
６ａ 円形部
６ｂ リング状部
７ 強度調整手段
７ａ 円形部
７ｂ リング状部
８ ビーム制限手段
８ａ、８ｂ 透過部
９ 多重ビーム生成手段
９ａ、９ｂ 円錐面
１０ 加工対象物
１１ アキシコンプリズム
１３ ビーム変換手段
１８ 回折光学素子
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 輪帯部
１８ｄ 凹部
１９ ビーム制限手段
２０ アパーチャ
２１、２２ レンズ
３１ ビーム変換手段
３２ 位相調整手段
３３ 強度調整手段
３４ ビーム制限手段
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 透過部
３５ 多重ビーム生成手段
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ 円錐面
３６、３７、３８ 光学素子
６１ ビーム変換手段
６２ 強度調整手段
６３ 多重ビーム生成手段
６４ マスク
６４ａ、６４ｂ 輪帯アパーチャ
６５ レンズ
７１ 半導体レーザ
７２ コリメータレンズ
７３ 整形プリズム
７４ 回折格子
７５ アパーチャ
７６ 偏光ビームスプリッタ
７７ １／４波長板
７８ 対物レンズ
７９ アクチュエータ
８０ 信号検出部
８１ ディスク
９０ 再生部
１００ レーザ加工装置
１０１ 光ピックアップ
１０２ 光ディスク装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームの光学系として用いられる光学装置、レーザビームを発生させる光源装置、レーザビームにより加工を行うレーザ加工装置、レーザビームの光学素子として用いられる回折光学素子、データの記録、再生、及び消去のうちの少なくともいずれかを行うのに用いられる光ピックアップ、その光ピックアップを備える光ディスク装置及びレーザビームを用いて所定の処理を行うレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
第１種０次ベッセル関数の２乗にほぼ比例する強度分布を有するベッセルビームは、スポット径を小さくして、なおかつ、焦点深度を大きくすることができる非回折性のレーザビームとして知られている。このため、金属等に高アスペクトな穴を加工するためのレーザビームとして、ベッセルビームの有効性が指摘されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、ベッセルビームには、その最大強度に対し最大１６％もの強度を有するサイドローブが伴うので、これをこのまま加工に利用することは難しい。
【０００３】
そこで、ベッセルビームのサイドローブを低減するため、異なる主ビーム半径を有する２つのベッセルビームをそれぞれのサイドローブが打ち消しあうように重ね合わせる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５５３９８６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】レーザ研究３２（２００４）ｐｐ．３４８−３５８「ナノ秒パルスベッセルビームを用いたレーザマイクロドリル」、松岡、河野ら
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法を用いても、サイドローブを最大でも６％程度までしか低減することができないうえに、無視できない大きさのサイドローブが複数存在する。このような状態では、高アスペクト比の穴をあけようとして大パワーのレーザビームを照射すると、サイドローブにより加工対象に損傷を与えてしまうおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、サイドローブがさらに低減された多重ビームを生成することができる光学装置、光源装置、レーザ加工装置、回折光学素子、光ピックアップ、光ディスク装置及びレーザ装置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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る光学装置は、
入射するレーザ平行光束に基づくレーザ光束を所定の収束角で光軸上に収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる前記収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された前記収束角毎の前記ベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する多重ビーム生成手段と、
前記サイドローブの発生に寄与する前記レーザ平行光束又は前記多重ビームの通過を制限するビーム制限手段と、
を備える。
【０００９】
この場合、前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの強度を調整する強度調整手段をさらに備える、
こととしてもよい。
【００１０】
また、前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの位相を調整する位相調整手段をさらに備える、
こととしてもよい。
【００１１】
この場合、前記多重ビーム生成手段と、前記位相調整手段とは、同一の光学素子の出射面側と入射面側とにそれぞれ設けられている、
こととしてもよい。
【００１２】
また、前記多重ビーム生成手段は、
中心軸が前記光軸に一致し、かつ、頂角がそれぞれ異なる複数の円錐面を有し、
前記複数の円錐面により、前記レーザ平行光束を前記各頂角に対応する前記収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ光束を収束させる、
こととしてもよい。
【００１３】
この場合、前記多重ビーム生成手段では、
前記複数の円錐面のいずれかが形成された複数の光学素子が前記光軸の方向に配置されている、
こととしてもよい。
【００１４】
また、前記多重ビーム生成手段は、
前記光軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なる環状の複数のブレーズ回折格子を有し、
前記複数のブレーズ回折格子により、前記レーザ平行光束を前記各ブレーズ角に対応する前記収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ光束を収束させる、
こととしてもよい。
【００１５】
また、前記ビーム制限手段は、
前記多重ビームの有効ビーム半径の５倍以上の外周領域を通る前記レーザ平行光束の成分の通過を制限する、
こととしてもよい。
【００１６】
また、前記ビーム制限手段は、
前記多重ビーム生成手段から出射された前記多重ビームが入射する開口部と、
前記多重ビームにより前記開口部の開口像を結像させるアフォーカル光学系と、
を備える、
こととしてもよい。
【００１７】
また、径が異なる複数の輪帯開口部を有するアパーチャ部と、
前記アパーチャ部を通過したレーザ光束を集光するレンズと、
を備え、
前記アパーチャ部及び前記レンズにより、前記多重ビーム生成手段が構成され、
前記アパーチャ部により、前記ビーム制限手段が構成されている、
こととしてもよい。
【００１８】
本発明の第２の観点に係る光源装置は、
レーザ平行光束を発振するレーザ発振器と、
本発明の光学装置と、
を備える。
【００１９】
この場合、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ平行光束の径を拡大して前記光学装置に入射する拡大光学系をさらに備える、
こととしてもよい。
【００２０】
本発明の第３の観点に係るレーザ加工装置は、
本発明の光学装置を備え、
前記光学装置から出射される多重ビームを用いて、加工対象物を加工する。
【００２１】
本発明の第４の観点に係る回折光学素子は、
光軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なり、レーザ平行光束を前記各ブレーズ角に対応する収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ平行光束に基づくレーザ光束を収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる前記収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された前記収束角毎の前記ベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する複数の環状のブレーズ回折格子が、前記レーザ光束の出射面に設けられている。
【００２２】
この場合、前記レーザ平行光束の入射面に、前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの位相を調整する位相調整手段が設けられている、
こととしてもよい。
【００２３】
本発明の第５の観点に係る光ピックアップは、
本発明の光学装置から出射される多重ビームを、情報記録媒体の記録面に照射する。
【００２４】
本発明の第６の観点に係る光ディスク装置は、
本発明の光ピックアップと、
前記光ピックアップから出射される多重ビームを用いて、情報記録媒体に対する情報の記録、再生及び消去のうちの少なくとも１つを行なう処理装置と、
を備える。
【００２５】
本発明の第７の観点に係るレーザ装置は、
本発明の光学装置から出射される多重ビームを用いて所定の処理を行う。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、入射するレーザ平行光束から生成される複数のベッセルビームの多重ビームのサイドローブの発生に寄与するレーザ光束の通過が、ビーム制限手段により制限されるので、多重ビームのサイドローブをさらに抑圧することができる。このため、サイドローブがさらに低減された多重ビームを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図２】−Ｚ側から見た位相調整手段の外観図である。
【図３】−Ｚ側から見た強度調整手段の外観図である。
【図４】−Ｚ側から見たビーム制限手段の外観図である。
【図５】＋Ｚ側から見た多重ビーム生成手段の外観図である。
【図６】多重ビーム生成手段から出射されたレーザビームの詳細を示す模式図である。
【図７】第１のベッセルビームが生成される様子を説明するための図である。
【図８】第２のベッセルビームが生成される様子を説明するための図である。
【図９】アキシコンプリズムの拡大図である。
【図１０】他の多重ビーム生成手段を示す図である。
【図１１】ビーム制限手段がない場合に生成される第１のベッセルビームを示す図である。
【図１２】ビーム制限手段がない場合に生成される第２のベッセルビームを示す図である。
【図１３】第１のベッセルビームの強度分布を示すグラフである。
【図１４】第２のベッセルビームの強度分布を示すグラフである。
【図１５】ビーム制限手段がない場合に生成される第１のベッセルビームの強度分布を示すグラフである。
【図１６】ビーム制限手段がない場合に生成される第２のベッセルビームの強度分布を示すグラフである。
【図１７】多重ビームの強度分布（その１）を示すグラフである。
【図１８】ビーム制限手段がないときの多重ビームの強度分布を示すグラフである。
【図１９】多重ビームのビーム半径の伝播距離依存性（その１）を示すグラフである。
【図２０】多重ビームの最大強度の伝播距離依存性（その１）を示すグラフである。
【図２１】ガウシャンビームのビーム半径の変化（その１）を示すグラフである。
【図２２】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図２３】回折光学素子の拡大図である。
【図２４】本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図２５】本発明の第４の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図２６】多重ビームの強度分布（その２）を示すグラフである。
【図２７】多重ビームのビーム半径の伝播距離依存性（その２）を示すグラフである。
【図２８】多重ビームの最大強度の伝播距離依存性（その２）を示すグラフである。
【図２９】ガウシャンビームのビーム半径の変化（その２）を示すグラフである。
【図３０】本発明の第５の実施形態に係るレーザ加工装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図３１】本発明の第６の実施形態に係る光ディスク装置を構成する光ピックアップの光学的な構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１、ビーム拡大光学系２及びビーム変換手段３を備える。
【００３１】
レーザ発振器１は、波長λのレーザビームをパルス発振する。本実施形態では、レーザ発振器１から出射されるレーザビームの中心軸をＺ軸にとり、レーザビームの進行方向をＺ軸の正方向（＋Ｚ方向）として定義する。Ｚ軸方向に出射されるレーザビームは、平行光束であり、いわゆるガウシァンビームである。
【００３２】
ビーム拡大光学系２は、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム（平行光）を入射し、そのレーザビームの径を大きくして出射する。ビーム拡大光学系２は、レンズ４、５を備える。レンズ４の焦点距離をｆ４とし、レンズ５の焦点距離をｆ５とする。この場合、レンズ４とレンズ５との間隔をｆ４＋ｆ５に設定する。ｆ４＜ｆ５となっているので、レーザビームはその断面が拡大された平行光束としてビーム拡大光学系２から出射される。
【００３３】
ビーム変換手段３は、ビーム拡大光学系２から出射されたレーザビーム（平行光束）を入射して、ベッセルビームの多重ビームに変換して出力する。ビーム変換手段３は、位相調整手段６、強度調整手段７、ビーム制限手段８及び多重ビーム生成手段９を備える。位相調整手段６、強度調整手段７、ビーム制限手段８及び多重ビーム生成手段９の光軸はＺ軸に一致するように位置決めされている。
【００３４】
位相調整手段６は、ビーム拡大光学系２から出射されたレーザビームの位相を調整する光学部材である。図２には、レーザ発振器１側から見た位相調整手段６が示されている。図１及び図２を総合して示すように、位相調整手段６は、略円板形状の透明部材である。
【００３５】
位相調整手段６は、円形部６ａとリング状部６ｂとを備えている。円形部６ａは、円板状である。円形部６ａの中心は、Ｚ軸と一致している。図１に示すように、リング状部６ｂは、円形部６ａの周囲に設置された円形部６ａと同心の環状体である。円形部６ａ及びリング状部６ｂは、それぞれレーザビームを透過させるが、円形部６ａとリング状部６ｂとは、厚さが異なっている。この厚さの違いにより、円形部６ａを通過するレーザビームと、リング状部６ｂを通過するレーザビームとの間に位相差が生じる。
【００３６】
強度調整手段７は、位相調整手段６から出射されたレーザビームの強度を調整する光学部材である。図３には、レーザ発振器１側から見た強度調整手段７が示されている。図１及び図３に示すように、強度調整手段７は、円板状の部材である。強度調整手段７は、円形部７ａとリング状部７ｂとを備えている。
【００３７】
円形部７ａは、円板状である。円形部７ａの中心は、Ｚ軸と一致している。円形部７ａは、Ｚ軸方向に関して位相調整手段６の円形部６ａと重なっている。したがって、位相調整手段６の円形部６ａから出射されたレーザビームは、円形部７ａに入射される。
【００３８】
リング状部７ｂは、円形部７ａの周囲に設置された円形部７ａと同心円状の環状部である。リング状部７ｂは、Ｚ軸方向に関して位相調整手段６のリング状部６ｂと重なっている。したがって、位相調整手段６のリング状部７ａから出射されたレーザビームは、リング状部７ａに入射される。
【００３９】
円形部７ａとリング状部７ｂとでは透過率が異なる。この透過率の違いにより、円形部７ａから出射されるレーザビームと、リング状部７ｂから出射されるレーザビームとで、強度が異なるようになる。
【００４０】
ビーム制限手段８は、強度調整手段７から出射されたレーザビームの一部を制限する光学部材である。図４には、−Ｚ側から見たビーム制限手段８が示されている。図１及び図４に示すように、ビーム制限手段８は、略円板状である。
【００４１】
ビーム制限手段８は、透過部８ａ、８ｂを有する。透過部８ａ、８ｂは、同心の環状体であり、透過部８ａ、８ｂを除くビーム制限手段８の他の部分は、遮光帯である。透過部８ａは、Ｚ軸方向に関して強度調整手段７の円形部７ａの一部と重なっている。したがって、強度調整手段７の円形部７ａから出射されたレーザビームは、透過部８ａに入射し、その一部（環状の断面の内周縁部及び外周縁部）の通過が制限された状態で出射される。透過部８ｂは、Ｚ軸方向に関して強度調整手段７のリング状部７ｂの一部と重なっている。したがって、強度調整手段７の円形部７ｂから出射されたレーザビームは、透過部８ｂに入射し、その一部（環状の断面の内周縁部及び外周縁部）の通過が制限された状態で、出射される。
【００４２】
多重ビーム生成手段９は、ビーム制限手段８の透過部８ａ、８ｂから出射されたレーザビームを入射する。多重ビーム生成手段９では、レーザビームを入射する入射面が平面状となっている。図５には、＋Ｚ側から見た多重ビーム生成手段９が示されている。図１及び図５に総合して示すように、多重ビーム生成手段９のレーザビームの出射面には、円錐面９ａ、９ｂが設けられている。円錐面９ａ、９ｂは、それぞれＺ軸（光軸）を中心対称軸とする円錐体の側面の一部である。円錐面９ａ、９ｂは、互いに頂角が異なる。Ｓ面は、円錐面９ａの頂点を通過し、Ｚ軸に直交する平面である。
【００４３】
ビーム制限手段８の透過部８ａから出射されたレーザビームは、−Ｚ側から多重ビーム生成手段９の入射面に入射し、円錐面９ａの傾きに対応した角度で、光軸（レーザビームの中心）方向（Ｚ軸方向）に交差する方向に屈折して出射される。このレーザビームは、Ｚ軸に関して軸対称なビームとなる。また、ビーム制限手段８の透過部８ｂから出射されたレーザビームは、−Ｚ側から多重ビーム生成手段９の入射面に入射し、円錐面９ｂの傾きに対応した角度で、光軸（レーザビームの中心）方向（Ｚ軸方向）に交差する方向に屈折して出射される。このレーザビームも、Ｚ軸に関して軸対称なビームとなる。
【００４４】
ここで、図６に示すように、円錐面９ａから出射されたレーザビームを屈折波ａとし、円錐面９ｂから出射されたレーザビームを屈折波ｂとする。Ｚ軸とＲ面との交点を点Ｐとする。屈折波ａ、ｂは、点Ｐ付近で、Ｚ軸と交差する。
【００４５】
屈折波ａの強度分布は、Ｚ軸に直交するＲ面、点Ｐ付近で、第１種０次ベッセル関数の２乗にほぼ比例する強度分布となる。屈折波ｂの強度分布は、Ｚ軸に直交するＲ面付近で、第１種０次ベッセル関数の２乗にほぼ比例する強度分布となる。すなわち、多重ビーム生成手段９は、図７に示すように、屈折波ａに基づくベッセルビームａ１（第１のベッセルビーム）と、図８に示すように、屈折波ｂに基づくベッセルビームｂ１（第２のベッセルビーム）との両方を生成する。θa、θbは、円錐面９ａ、９ｂから出射されたレーザビームの収束角である。
【００４６】
レーザ加工装置１００の光学系な構成についてまとめる。多重ビーム生成手段９は、円錐面９ａ、９ｂにより、そのレーザビームを所定の収束角θa、θbでＺ軸上に収束させることにより、ベッセルビームａ１、ｂ１を生成する。すなわち、多重ビーム生成手段９は、ベッセルビームを異なる収束角θa、θbでそれぞれ生成する。さらに、多重ビーム生成手段９は、複数のベッセルビームａ１、ｂ１を、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する。
【００４７】
位相調整手段６は、ベッセルビームａ１、ｂ１の位相が、図６の点Ｐで一致するように、レーザ平行光束の各部の位相を調整する。これにより、屈折波ａ、ｂに位相差が生じる。すなわち、位相調整手段６は、収束角θa、θb毎に生成されるベッセルビームａ１、ｂ１の位相を調整する。
【００４８】
強度調整手段７は、ベッセルビームａ１、ｂ１が、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように、レーザ平行光束の各部の強度を調整する。これにより、屈折波ａ、ｂに強度差が生じる。すなわち、強度調整手段７は、収束角θa、θb毎に生成されるベッセルビームａ１、ｂ１の強度を調整する。
【００４９】
ビーム制限手段８は、多重ビーム生成手段９によって合成された多重ビームのサイドローブの発生に寄与するレーザ平行光束の通過を制限する。多重ビームのサイドローブの発生に寄与するのは、各ベッセルビームの断面における外周側のビーム成分である。このビーム成分を生成するのは、強度調整手段７の円形部７ａから出射された断面環状のレーザビームのその断面の内周部及び外周部と、強度調整手段７の円形部７ｂから出射された断面環状のレーザビームのその断面の内周部及び外周部である。そこで、ビーム制限手段８は、これらの部分の通過を制限する。
【００５０】
以上の構成要素を有するレーザ加工装置１００は、Ｒ面に設置された加工対象物１０の穴あけ加工を行う。加工対象物１０にあけられる穴の径は、最終的に生成された多重ビームの径によって決まる。
【００５１】
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の動作について説明する。
【００５２】
レーザ発振器１から出射されたレーザビームのビーム径は、ビーム拡大光学系２で、ｆ５／ｆ４倍に拡大された後、レーザ平行光束として、ビーム変換手段３に入射する。ビーム変換手段３に入射したレーザビームは、位相調整手段６で位相が調整され、強度調整手段７で強度が調整されて、ビーム制限手段８に入射される。
【００５３】
ビーム制限手段８は、入射したレーザビームの一部を制限し、透過部８ａを通過した断面が環状のレーザビームと、透過部８ｂを通過した断面が環状のレーザビームとに分割する。透過部８ａを通過したレーザビームは、多重ビーム生成手段９に入射し、円錐面９ａでＺ軸側に屈折され、点Ｐ近傍で、ベッセルビームａ１を形成する。透過部８ｂを通過したレーザビームは、多重ビーム生成手段９に入射し、円錐面９ｂでＺ軸側に屈折され、点Ｐ近傍で、ベッセルビームｂ１を形成する。これらベッセルビームａ１、ｂ１が干渉することにより、多重ビームが形成され、この多重ビームにより、Ｒ面に設置された加工対象物１０の穴あけ加工が行われる。ベッセルビームａ１、ｂ１の重ね合わせや、ビーム制限手段８による多重ビームのサイドローブの低減により、アスペクト比の高い穴をあけることができる。
【００５４】
ここで、多重ビーム生成手段９によるベッセルビームの生成原理をより明らかにすべく、まず、アキシコンプリズムによるベッセルビームの生成方法について説明する。
【００５５】
図９には、アキシコンプリズム１１が示されている。図９に示すように、アキシコンプリズム１１は、入射面が平面となっており、出射面が円錐面となっている。アキシコンプリズム１１の入射面には、平行光束（平面波）が入射する。この平面波は、円錐面で屈折され、屈折波となってＺ軸と交差する。
【００５６】
一般に、この屈折波が十分な幅を有するとき、その屈折波がＺ軸と交差する付近（図９でハッチングされた部分）では、屈折波の干渉により、ベッセルビームが生成される。なお、このベッセルビームの生成についての参考文献としては、例えば以下のものがある。
BesselBeams:diffraction in a new Light, D.Mcglpon and K.Dholakia, Comtemporary Physics, Vol.46, No.12005pp.15-28
【００５７】
光軸（Ｚ軸）からの距離をｒとしたときのベッセルビームの振幅ｕ（ｒ）は次式で与えられる。
【数１】
ここで、Ａは、レーザビームの振幅である。また、ｋr、ｋzは、レーザビームのｒ方向、ｚ方向の波数である。屈折波がｚ軸となす角（以下では、「収束角」と呼ぶ）をθとし、レーザビームの波数をｋ＝２π／λとすると、ｋr、ｋzは、次式のようになる。
【数２】
このベッセルビームの強度分布Ｉ（ｒ）は、次式のように、ｕ（ｒ）の絶対値の２乗で与えられる。
【数３】
上記（３）式からも明らかなように、このベッセルビームは、その伝播に伴ってそのビーム形状を変化させることはない。
【００５８】
図１０には、ビーム変換手段３の構成要素のうち、位相調整手段６及び多重ビーム生成手段９だけを抜き出して構成したビーム変換手段１３が示されている。
【００５９】
図１０に示すように、ビーム変換手段１３には、ビーム制限手段８が設けられておらず、平行平面波であるレーザビームは、制限されることなくそのまま多重ビーム生成手段９に入射するので、多重ビーム生成手段９から出射される屈折波ａ、ｂの幅は、ベッセルビームを発生させるのに十分に大きいものとみなすことができる。
【００６０】
多重ビーム生成手段９は、アキシコンプリズム１１と同様に、円錐面（具体的には円錐面９ａ、９ｂ）を有している。平面波を入射すると、円錐面９ａから出射した屈折波ａによって、図１１に示すように、ベッセルビームａ２が生成され、円錐面９ｂから出射した屈折波ｂによって、図１２に示すように、ベッセルビームｂ２が生成される。なお、ここでは、ビーム制限手段８により、レーザビームの制限が考慮されていないので、これらのベッセルビームをそれぞれベッセルビームａ２、ｂ２と呼ぶ。
【００６１】
加工対象物１０の表面付近のレーザビームの振幅ｕ（ｒ）は、収束角の異なる２つの屈折波ａ、ｂによりそれぞれ発生する２つのベッセルビームａ２、ｂ２の重ね合わせであり、次式で与えられる。
【数４】
ここで、ｚは、多重ビーム生成手段９の頂点から加工対象物１０の表面付近の点Ｐまでの距離である。また、ｋra、ｋrb、ｋza、ｋzbは、屈折波ａ、ｂのｒ方向、ｚ方向の波数である。屈折波ａ、ｂの収束角を、θa、θbとすると、波数ｋra、ｋrb、ｋza、ｋzbは、以下の（５）式、（６）式で与えられる。
【数５】
また、Ａ、Ｂは、複素係数である。
【００６２】
ここで、上記（４）式のＥｘｐ（ｉｋzaｚ）、Ｅｘｐ（ｉｋzbｚ）で表されるレーザビームの位相が、Ｓ面からの距離がｚである点Ｐで一致するように、位相調整手段６によって生ずる位相差を設定する。このとき、第１項と第２項に共通の位相因子を無視すると、上記（４）式は、次式で表される。
【数６】
ここで、係数Ａ’、Ｂ’は実数である。このとき、点ＰでＡ’、Ｂ’は実数となるが、Ａ’、Ｂ’には、それぞれＥｘｐ（ｉｋzaｚ）、Ｅｘｐ（ｉｋzbｚ）で示されるｚ依存性が存在するので、そこからｚ方向にずれた位置では２つの擬似的なベッセルビームａ２、ｂ２の相対位相がずれてビーム形状が変化する。この変化は周期的であり、その周期は、
【数７】
となる。波数ｋzaと波数ｋzbとの差が小さい場合には、周期が大きくなり、ビーム形状が広い範囲にわたり保たれる。
【００６３】
なお、上記（４）式のＥｘｐ（ｉｋzaｚ）、Ｅｘｐ（ｉｋzbｚ）で表される位相が点Ｐで一致するように、Ｓ面から点Ｐまでの距離ｚを予め選んでおけば、位相調整手段６を設けなくてもよいが、位相調整手段６を設けておけば、Ｓ面から点Ｐまでの距離を自由に設定することができるという利点がある。
【００６４】
このように、２つのベッセルビームの相対位相がずれても、Ｚ軸方向に２π／（ｋza−ｋzb）だけずれた位置では、相対位相のずれが２πの整数倍となり、ビーム形状が回復する。本実施形態では、ビーム制限手段８が設けられているため、点Ｐ以外の相対位相の一致点で収束波が存在しない可能性が高くなるので、位相調整手段６の必要性が増す。
【００６５】
しかしながら、前述のように、ビーム変換手段３には、ビーム制限手段８が設けられている。ビーム制限手段８が設けられている場合、多重ビーム生成手段９の頂点からｚの距離にあるＺ軸に垂直な面（Ｒ面）での振幅分布ｕ（ｒ）は、次式のように、それぞれ屈折波ａ、ｂに起因する項ｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）の重ね合わせとなる。
【数８】
ｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）を解析的に求めることは困難であるが、フレネル近似による数値計算で求めることができる。アキシコンプリズムの頂角が十分小さいとすると、ｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）は、定数因子を除いて次式で与えられる。
【数９】
ここで，ｒ’は、Ｓ面上での動径（原点からの距離）であり、ｒは、Ｒ面上での動径である。ｒa、ｒbは、それぞれ、ビーム中心（円錐の頂点）から、ビーム制限手段８の透過部８ａ、８ｂのＳ面における幾何光学的投影像の中央までの距離である。また、ｄa、ｄbは、Ｓ面における透過部８ａ、８ｂの幾何光学的像の幅の１／２である。
【００６６】
ｈa（ｒ’）、ｈb（ｒ’）は、円錐面９ａ、９ｂでのレーザビームの位相ずれを表している。レーザビームの強度は振幅の絶対値の２乗で表されるので、ｕa（ｒ）＋ｕb（ｒ）、ｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）に対応する強度分布Ｉ（ｒ）、Ｉａ（ｒ）、Ｉb（ｒ）は、（１３）式、（１４）式、（１５）式で表される。
【数１０】
また、屈折波ａ、ｂの収束角θa（ｒ）、θb（ｒ）は、次式のようになる。
【数１１】
これらの式を用いて、レーザ発振器１に、炭酸ガスレーザを用いた場合について数値計算する。λ＝９．６μｍ、ｒa=８２８.５ｍ、ｒb=１４７１．８μｍ、ｄa=ｄb=２００μｍ、ｚ＝２０ｍｍとすると、屈折波ａ、ｂの収束角θa、θbは、それぞれθa＝０．０４１４０ｒａｄ、θb＝０．０７３４６ｒａｄとなる。
【００６７】
これらの値を、上記（１４）式、上記（１５）式に入力すると、加工対象物１０の表面での屈折波ａ、ｂに対応する２つのベッセルビームａ１、ｂ１の強度分布が求められる。
【００６８】
図１３に、このようにして求められたベッセルビームａ１の強度分布｜ｕa（ｒ）｜2／｜ｕa（０）｜2が示されている。また、図１４に、同様にして求められたベッセルビームｂ１の強度分布｜ｕb（ｒ）｜2／｜ｕb（０）｜2が示されている。このように、ベッセルビームａ１、ｂ１の強度分布は、ビーム中央最大値で規格化されている。
【００６９】
一方、図１５、図１６には、ベッセルビームａ１、ｂ１と同一の収束角を有し、ビーム変換手段３をビーム変換手段１３に置き換えた場合に生成されるベッセルビームａ２、ｂ２の強度分布が示されている。ベッセルビームａ２、ｂ２の強度分布は、上記（３）式から求められる。ベッセルビームａ２、ｂ２の強度分布についても、図１３、図１４と同様に、ビーム中央最大値で規格化されている。
【００７０】
図１３及び図１４と、図１５及び図１６とを比較するとわかるように、ベッセルビームａ１、ｂ１は、中央ではベッセルビームａ２、ｂ２とよく一致するが、周辺ではベッセルビームに比べてビーム強度が低下している。これは、ビーム変換手段３では、ビーム制限手段８により、屈折波ａ、ｂの一部が遮断されているためである。
【００７１】
２つのベッセルビームａ１、ｂ１を重ね合わせた多重ビームの振幅分布ｕ（ｒ）は、定数因子を除くと、次式で表される。
【数１２】
ここで、Ｃaは、定数である。この定数を２つのベッセルビームａ１、ｂ１のサイドローブが互いに打ち消しあうように定める。図１７には、Ｃa＝０．４３４としたときの多重ビームの強度分布が示されている。図１７に示すように、合成されたベッセルビームａ１、ｂ１のサイドローブの強度は、主ビームの４％以下となる。
【００７２】
強度調整手段７は、この定数Ｃaを設定するためのものである。すなわち、強度調整手段７によるレーザビームの強度調整により、Ｃaが決まる。位相調整手段６は、上述したように、ｚ=２０ｍｍの点Ｐでベッセルビームの位相を一致させるように、屈折波ａ、ｂの位相を調整する。
【００７３】
これに対して、図１８には、ビーム変換手段１３を除いた場合に生成されるベッセルビームａ２、ｂ２の多重ビームの強度分布が示されている。
【００７４】
図１８に示すように、この多重ビームには、６％程度のサイドローブが発生する。このサイドローブは、ビーム変換手段３を用いた場合に、ビーム制限手段８によってレーザビームの中心から離れた領域の成分が遮断されることにより、抑制されていたものである。図１７及び図１８を比較するとわかるように、ビーム制限手段８が、中央から離れた位置に出現するサイドローブを抑制する効果を呈することが明らかである。
【００７５】
ビーム制限手段８が設けられていなくても、２つのベッセルビームａ２、ｂ２それぞれのサイドローブを、広い範囲に渡って互いに打ち消しあうようにベッセルビームａ２、ｂ２の強度割合を設定することは可能である。しかしながら、広い領域のすべてでベッセルビームａ２、ｂ２のサイドローブが完全に打ち消しあうような条件を見つけるのは、極めて困難であり、ビーム制限手段８によってビーム幅を制限し、狭い領域でのみサイドローブが打ち消しあうようにすれば、サイドローブの低減が、著しく容易になる。
【００７６】
ビーム制限手段８によって許容されたビーム存在領域の広さと、サイドローブの抑制効果とはトレードオフの関係にある。本実施形態では、多重ビームの有効ビーム半径（約４０μｍ程度、加工対象物１０の加工穴の半径にほぼ一致する）に対して、その約５倍（２００μｍ）以上の領域をビーム制限手段８の制限領域とした。これよりも広い範囲にすると図１８に示される６％のサイドローブの影響がでてくるためである。
【００７７】
次に、生成されたベッセルビームａ１、ｂ１の多重ビームの特性について、さらに、図１９、図２０を参照して説明する。図１９には、多重ビームのビーム半径の伝播距離依存性が示され、図２０には、多重ビームの最大強度の伝播距離依存性が示されている。
【００７８】
ここで、ビーム半径とは、後述するガウシャンビームと比較するため強度が最大値の１／ｅ2になる半径（１／ｅ2半径）のことである。図１９に示すグラフは、伝播距離ｚ＝２０ｍｍ（２００００μｍ）におけるビーム半径を基準とし、それを１としたときの伝播距離に対するビーム半径の変化を示したものである。なお、基準となるｚ＝２０ｍｍ（点Ｐ）における１／ｅ2半径は４４μｍである。
【００７９】
図２０に示すグラフは、伝播距離ｚ＝２０ｍｍ（点Ｐ）における強度を基準とし、それを１としたときの伝播距離に対するビーム強度の変化を示したものである。
【００８０】
図１９、図２０に示すように、ｚ＝１９４００〜２０３５０μｍの範囲で、強度変化が１０％以内となっており、ビーム半径の変化が２％以内となっている。
【００８１】
この特性を最も一般的なガウシャンビームと比較する。ガウシャンビームは位相因子を無視した振幅分布ｕ（ｒ）、強度分布Ｉ（ｒ）が、それぞれ（１８）式、（１９）式で与えられるビームである。
【数１３】
ここで、上記（２０）式で与えられるｗ（ｚ）は、１／ｅ2半径であり、ｗ0はビームが最も細くなるところでの１／ｅ2半径である。また、ｚは、レーザビームが最も小さくなる点からの伝播距離である。
【００８２】
図２１には、（２０）式を用いてガウシャンビームのビーム半径の変化の様子が示されている。図１９と比較するため、ｗ0=４４μｍとし、ｚ＝２０ｍｍの地点でビーム半径が最も細くなるようにした。図１９と図２１とを比較すると、ガウシァンビームよりも、本実施形態に係る多重ビームの方が、広い範囲にわたってビーム強度とビーム半径とが保たれているのがわかる。この特性により、本実施形態の多重ビームは、高アスペクト比の穴の加工に好適となる。
【００８３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００８４】
図２２には、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成が示されている。図２２に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、位置調整手段６及び多重ビーム生成手段９の代わりに、回折光学素子１８を備える点が、上記第１の実施形態と異なっている。回折光学素子１８は、ブレーズ回折格子を有する回折光学素子である。
【００８５】
より具体的には、図２３に示すように、回折光学素子１８は、ブレーズ回折格子が設けられた輪帯部１８ａ、１８ｂを有している。輪帯部１８ａ、１８ｂは、Ｚ軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なる複数の環状のブレーズ回折格子である。輪帯部１８ａ、１８ｂは、それぞれブレーズ角が異なる。輪帯部１８ａ、１８ｂは、それぞれ多重ビーム生成手段９の円錐面９ａ、９ｂと同様の機能を発揮する。輪帯部１８ａ、１８ｂにより、レーザ平行光束を、各ブレーズ角に対応する収束角θa、θbでＺ軸に向かって屈折させて、レーザビームを収束させる。これにより、上記第１の実施形態と同様に、ベッセルビームａ１、ｂ１が、異なる前記収束角でそれぞれ生成され、生成された収束角θa、θb毎のベッセルビームが、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせられ、多重ビームが生成される。
【００８６】
また、レーザビームの入射面には、表面の回折光学素子の中心と同心の平面状の輪帯部１８ｃと、円形の凹部１８ｄとが形成されている。輪帯部１８ｃに対する凹部１８ｄの深さを調整することにより、屈折波ａ、ｂの位相差を調整することができる。すなわち、本実施形態では、多重ビーム生成手段は、回折光学素子１８の出射面側に形成され、位相調整手段は、回折光学素子１８の入射面側に形成されている。
【００８７】
このように、位相調整手段６及び多重ビーム生成手段９を、１枚の回折光学素子１８に代えれば、各光学素子のアラインメントが容易となる。この結果、光路の揺らぎなどの影響を抑え、光学的な安定性を高めることができる。また、ブレーズ型の回折光学素子１８は、多重ビーム生成手段９よりも薄くすることができるので、装置全体を小型化することができる。
【００８８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００８９】
図２４には、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成の一部が示されている。図２４に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、ビーム制限手段８の代わりに、ビーム制限手段１９を備える点が、上記第１の実施形態と異なっている。ビーム制限手段１９は、多重ビーム生成手段９の後段に設けられている。
【００９０】
図２４に示すように、ビーム制限手段１９は、アパーチャ２０、レンズ２１、２２を備える。アパーチャ２０は、多重ビーム生成手段９から出射された多重ビームが通過する開口部を有する。レンズ２１、２２の焦点距離は、互いにｆであり、同一である。また、レンズ２１、２２は、それらの間隔が２ｆとなるように設置される。さらに、アパーチャ２０とレンズ２１との距離は、ｆとなるように設置される。また、レンズ２２と加工対象物１０との距離はｆとなるように設置される。
【００９１】
ビーム制限手段１９は、アパーチャ２０の開口像を結像させるアフォーカル光学系である。このようにすると、アパーチャ２０の像がビーム制限手段１９により、加工対象物１０の表面に倍率１で結像するようになる。このアパーチャ２０により、加工中心から離れた位置のビーム成分が遮断され、その通過が制限されるので、加工対象物１０の表面に、到達する多重ビームは、加工位置近傍のみ強度を有するスポット光となる。
【００９２】
なお、ここではレンズ２１、２２の焦点距離を同一のｆとしたが、それぞれ異なる焦点距離を有するものを採用することもできる。ここで、レンズ２１、２２各々の焦点距離をｆ２１、ｆ２２とする。この場合には、レンズ２１、２２の距離をｆ２１とｆ２２との和となるように両レンズ２１、２２を設置すれば、レンズ２１、２２による倍率は、ｆ２２／ｆ２１となる。
【００９３】
したがって、アパーチャ２０の像が加工対象物１０の表面で結像するようにアパーチャ２０、加工対象物１０、レンズ２１、２２の位置関係を調整した上でアパーチャ２０の開口径を加工対象物１０の表面で制限したいビームの径のｆ２１／ｆ２２倍にすれば、所望の径の穴を加工対象物１０に開けることができる。
【００９４】
また、ｆ２１＞ｆ２２とするとアパーチャ２０の開口径を大きくとることができるので、ビーム強度が大きい場合にも、アパーチャ２０の損傷を防止することができる。
【００９５】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００９６】
図２５には、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成が示されている。本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、ビーム変換手段３の代わりに、ビーム変換手段３１を備えている点が、上記第１の実施形態と異なる。
【００９７】
ビーム変換手段３１は、位相調整手段３２、強度調整手段３３、ビーム制限手段３４及び多重ビーム生成手段３５を備える。
【００９８】
位相調整手段３２は、上記第１の実施形態に係る位相調整手段６と同様に、入射したレーザビームの位相を調整する。ただし、位相調整手段６が、レーザビームの位相を、２段階に調整しているのに対し、位相調整手段３２は、レーザビームの位相を３段階に調整する。
【００９９】
強度調整手段３３は、上記第１の実施形態に係る強度調整手段７と同様に、レーザビームの強度を調整する。ただし、強度調整手段７が、レーザビームの位相を、２段階に調整しているのに対し、強度調整手段３３は、位相調整手段３２によって位相が３段階に調整された各レーザビームの強度を３段階に調整する。
【０１００】
ビーム制限手段３４は、上記第１の実施形態に係るビーム制限手段８と同様に、レーザビームの一部を制限する。ただし、ビーム制限手段８が、レーザビームを２つに分割し、２つのレーザビームの一部を制限しているのに対し、ビーム制限手段３４は、３重の環状の透過部３４ａ、３４ｂ、３４ｃを有し、レーザビームを断面が環状の３つのレーザビームに分割し、それらの３つのレーザビームの一部を制限する。
【０１０１】
多重ビーム生成手段３５は、上記第１の実施形態に係る多重ビーム生成手段９と同様に、入射したレーザビームに基づいて複数のベッセルビームを生成する。生成された複数のベッセルビームが干渉することにより、多重ビームが生成される。多重ビーム生成手段３５は、３つの異なる頂角を有し、中心対称軸が同軸の円錐面３５ａ、３５ｂ、３５ｃを有する。円錐面３５ａは、円錐面３５ｂに接しており、円錐面３５ｂは、円錐面３５ｃに接している。
【０１０２】
多重ビーム生成手段３５は、実際には、光学素子３６、３７、３８がＺ軸上に配置されることにより構成されている。光学素子３６に円錐面３５ａが設けられ、光学素子３７に円錐面３５ｂが設けられ、光学素子３８に円錐面３５ｃが設けられている。
【０１０３】
ビーム制限手段３４から出射されたレーザビームは、−Ｚ側から多重ビーム生成手段３５の入射面に入射し、円錐面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ各々の傾きに対応した収束角θa、θb、θcで、光軸（レーザビームの中心）方向（Ｚ軸方向）に交差する方向に屈折して出射される。円錐面３５ａ、３５ｂ、３５ｃから出射されるレーザビームを、それぞれ屈折波ａ、ｂ、ｃと呼ぶ。屈折波ａ、ｂ、ｃの振幅は、上記第１の実施形態と同様に、以下の（２１）〜（２６）式で与えられる。
【数１４】
【０１０４】
ここで、ｒ’は、Ｓ面上での動径であり、ｒは、Ｒ面上での動径である。ｒa、ｒb、ｒcは、それぞれ、ビーム中心（円錐の頂点）から、Ｓ面におけるビーム制限手段３４の透過部３４ａ、３４ｂ、３４ｃの幾何光学的投影像の中央までの距離である。また、ｄa、ｄb、ｄcは、それぞれ、Ｓ面における透過部３４ａ、３４ｂ、３４ｃの幾何光学的像の幅の１／２である。ｈa（ｒ’）、ｈb（ｒ’）、ｈc（ｒ’）は、屈折波ａ、ｂ、ｃの位相ずれを表している。
【０１０５】
レーザビームの強度は振幅の絶対値の２乗で表されるので、多重ビームｕa（ｒ）、ｕb（ｒ）、ｕc（ｒ）の和のビーム強度は次式で表される。
【数１５】
３つのベッセルビームを重ね合わせたビームの振幅分布は、定数因子を除いて次式で表される。
【数１６】
ここで、ｃa、ｃbは、定数である。この定数ｃa、ｃbを、３つのビームのサイドローブが互いに打ち消しあうように定める。例えば、λ＝９．６μｍ、ｒa＝６４５μｍ、ｒb=１３４３μｍ、ｒc=２０６０μｍ、ｄa=ｄb=ｄc=２００μｍ、ｚ＝２０ｍｍとすると、屈折波ａ、ｂ、ｃの収束角θa（ｒ）、θb（ｒ）、θc（ｒ）を、次式より求めることができる。
【数１７】
ここで、θa＝０．０３２２３ｒａｄ、θb＝０．０６７０７ｒａｄ、θc＝０．１０２６ｒａｄとなる。θa=０．２２３６、θb=０．３６６２とすると、図２６に示すように、多重ビームのサイドローブの強度は、主ビームの１．２％以下となる。強度調整手段３３はこの係数ｃa、ｃbを設定するためのものである。
【０１０６】
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置１００により達成されたレーザビームの特性について、図２７、図２８を参照して説明する。図２７には、ビーム半径の伝播距離依存性が示され、図２８には最大強度の伝播距離依存性が示されている。図２７に示すグラフは、ビーム半径とは、ガウシャンビームと比較するため強度が最大値の１／ｅ2になる半径（１／ｅ2半径）をｚ＝２０ｍｍにおける半径を基準として計算したものである。基準となるｚ＝２０ｍｍにおける１／ｅ2半径は３５．４μｍであった。図２８では、レーザビームの強度は、ｚ＝２０ｍｍの強度を基準として示している。図２７、図２８に示すように、ｚ＝１９７３０μｍ〜２０２００μｍの範囲で、多重ビームの強度の変化が１０％以内、多重ビームのビーム半径の変化が２％以内となっている。
【０１０７】
この多重ビームの特性を、一般的なガウシャンビームと比較する。図２９には、（１９）式を用いてガウシャンビームのビーム半径の変化のシミュレーション結果が示されている。図２９では、図２７と比較するため、ｗ0=３５．４μｍとし、ｚ＝２０ｍｍの点でビーム半径が最も細くなるようにした。
【０１０８】
図２７及び図２９を比較すると明らかなように、本実施形態に係る多重ビームの方が、広い範囲にわたって強度と半径を保っているのがわかる。また、多重ビームでは、サイドローブの強度が、主ビームの１．２％以下となっている。これにより、本実施形態に係るレーザ加工装置１００により生成される多重ビームは、高アスペクト比の穴加工により好適となる。
【０１０９】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
【０１１０】
本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、ビーム変換手段３の代わりに、図３０に示すビーム変換手段６１を備える点が、上記第１の実施形態に係るレーザ加工装置１００と異なっている。
【０１１１】
図３０に示すように、ビーム変換手段６１は、強度調整手段６２及び多重ビーム生成手段６３を備える。強度調整手段６２は、上記第１の実施形態に係る強度調整手段７と同じ機能を有する。多重ビーム生成手段６３は、マスク６４及びレンズ６５を備える。マスク６４は、径の異なる２つの細い輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂを有する。
【０１１２】
輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂをそれぞれ通過したレーザビームは、レンズ６５の集光点付近にベッセルビームａ３、ベッセルビームｂ３を発生させる（例えば、久保田広著、「波動光学」ｐ．２７９参照；岩波書店、他）。
【０１１３】
輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂの開口幅を、極端に細くする必要はない。むしろ、輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂの開口部の幅を適当に選ぶことによって、回折の原理により、加工対象物１０に当接する多重ビームのビーム幅を制御することができる（幅を大きくとると加工部のビーム幅は小さくなる）。すなわち、マスク６４は、ビーム制限手段としても機能する。また、ビーム幅を大きくとるということは入射ビームの利用効率が良くなるという点において好ましい。
【０１１４】
なお、レンズ６５は、平行光束のレーザビームを入射して、後側焦点位置に集光させるので、レンズ６５に入射するレーザビームを絞るマスク６４と、レンズ６５との相対位置関係を厳密に規定する必要はない。すなわち、マスク６４は、例えばレンズ６５の前側焦点位置に配置するなどの正確な位置決めをする必要はない。
【０１１５】
本実施形態によれば、レンズ６５の集光位置においては輪帯アパーチャ６４ａ、６４ｂ各々の透過光の位相が一致するため、位相調整手段６が不要になる。ただし、強度調整手段６２で位相差が発生しない場合に限る。また、複数のアキシコンプリズム等の位置合わせが不要となるので、ベッセルビームの多重化がより容易になる。
【０１１６】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
【０１１７】
上記各実施形態では、レーザ加工装置１００について説明したが、本実施形態では、光ディスク装置に本発明を適用する場合について説明する。
【０１１８】
図３１には、本実施形態に係る光ディスク装置１０２の光学的な構成が示されている。図３１に示すように、光ディスク装置１０２は、光ピックアップ１０１と、再生部９０とを備える。
【０１１９】
光ピックアップ１０１は、半導体レーザ７１、コリメータレンズ７２、整形プリズム７３、回折格子７４、アパーチャ７５、偏光ビームスプリッタ７６、１／４波長板７７、対物レンズ７８、アクチュエータ７９及び信号検出部８０を備える。
【０１２０】
半導体レーザ７１から出射されたレーザビームは、コリメータレンズ７２で平行光束に変換され、整形プリズム７３で断面が円形に整形される。整形プリズム７３から出射されたレーザビームは、回折格子７４を通過した後、アパーチャ７５により、断面が２重輪帯状のレーザビームに変換される。本実施形態では、このアパーチャ７５が、上記第５の実施形態に係るマスク６４に対応する。
【０１２１】
アパーチャ７５から出射された断面２重輪帯状のレーザビームは、偏光ビームスプリッタ７６、１／４波長板７７を経て、対物レンズ７８により、ディスク８１の表面に集光する。本実施形態では、この対物レンズ７８が、上記第５の実施形態に係るレンズ６５に対応する。
【０１２２】
この集光によりディスク８１の表面に生成されるビームスポットは、２重輪帯状のレーザビーム各々によって生成されるベッセルビームの多重ビームに基づくものである。すなわち、ディスク８１の表面に、スポット径が小さく、かつ、焦点深度の大きいビームスポットが形成される。
【０１２３】
アクチュエータ７９は、レーザビームがディスク８１の表面に集光するように対物レンズ７８の光軸方向の位置を制御している。
【０１２４】
ディスク８１の表面で反射され、ディスク８１に記録された情報を含んだ反射ビームは、対物レンズ７８、１／４波長板７７を逆行し、偏光方向が変化しているため偏光ビームスプリッタ７６で反射され、信号検出部８０に導かれる。信号検出部８０は、この反射ビームの検出結果に対応する信号、すなわちディスク８１に記録された情報を含んだ信号を検出する。
【０１２５】
再生部９０は、信号検出部８０で検出された信号に基づいて、ディスク８１に記録された情報を再生する。
【０１２６】
本実施形態では、アパーチャ７５と対物レンズ７８の組み合わせにより生成される２重のベッセルビームの多重ビームにより、焦点深度の大きいビームスポットを形成しているので、アクチュエータ７９による対物レンズ７８のフォーカス合わせが容易になるという利点がある。
【０１２７】
本実施形態では、多重ビームのサイドローブが抑制されているため、信号検出部８０により検出される信号に含まれるノイズ成分を低減することができる。この結果、情報の再生品質が向上する。
【０１２８】
なお、本実施形態では、光ピックアップ１０１に、強度調整手段が組み込まれていない。強度調整手段を組み込まなくても、アパーチャ７５の輪帯の幅を調節することにより、ベッセルビームの強度比を調節できるからである。このことは、上記第５の実施形態に係るレーザ加工装置１００についても同様である。強度調整手段を設けると、強度比の調整を広い範囲で行うことができるが、多少の調整であればアパーチャ７５の輪帯の幅を変えることにより、対応可能である。
【０１２９】
なお、本実施形態は、光ディスク装置１０２は、情報を再生を行う装置であったが、本発明は、情報の記録又は消去を行う光ディスク装置にも適用可能である。すなわち、本発明は、情報の再生、記憶及び消去の少なくとも１つを行う光ディスク装置に適用可能である。
【０１３０】
なお、上記各実施形態では、加工対象物１０への穴あけを行うレーザ加工装置や、光ピックアップに本発明を適用する場合について説明したが、本発明はこれには限られない。本発明は、スポット径を小さくして、なおかつ、焦点深度を大きくするのが望ましいあらゆるレーザ装置に好適である。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明は、レーザ加工装置など、レーザを用いて所定の処理を行うレーザ装置に好適である。
【符号の説明】
【０１３２】
１ レーザ発振器
２ ビーム拡大光学系
３ ビーム変換手段
４、５ レンズ
６ 位相調整手段
６ａ 円形部
６ｂ リング状部
７ 強度調整手段
７ａ 円形部
７ｂ リング状部
８ ビーム制限手段
８ａ、８ｂ 透過部
９ 多重ビーム生成手段
９ａ、９ｂ 円錐面
１０ 加工対象物
１１ アキシコンプリズム
１３ ビーム変換手段
１８ 回折光学素子
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 輪帯部
１８ｄ 凹部
１９ ビーム制限手段
２０ アパーチャ
２１、２２ レンズ
３１ ビーム変換手段
３２ 位相調整手段
３３ 強度調整手段
３４ ビーム制限手段
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 透過部
３５ 多重ビーム生成手段
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ 円錐面
３６、３７、３８ 光学素子
６１ ビーム変換手段
６２ 強度調整手段
６３ 多重ビーム生成手段
６４ マスク
６４ａ、６４ｂ 輪帯アパーチャ
６５ レンズ
７１ 半導体レーザ
７２ コリメータレンズ
７３ 整形プリズム
７４ 回折格子
７５ アパーチャ
７６ 偏光ビームスプリッタ
７７ １／４波長板
７８ 対物レンズ
７９ アクチュエータ
８０ 信号検出部
８１ ディスク
９０ 再生部
１００ レーザ加工装置
１０１ 光ピックアップ
１０２ 光ディスク装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射するレーザ平行光束に基づくレーザ光束を所定の収束角で光軸上に収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる前記収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された前記収束角毎の前記ベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する多重ビーム生成手段と、
前記サイドローブの発生に寄与する前記レーザ平行光束又は前記多重ビームの通過を制限するビーム制限手段と、
を備える光学装置。
【請求項２】
前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの強度を調整する強度調整手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの位相を調整する位相調整手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記多重ビーム生成手段と、前記位相調整手段とは、同一の光学素子の出射面側と入射面側とにそれぞれ設けられている、
ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記多重ビーム生成手段は、
中心軸が前記光軸に一致し、かつ、頂角がそれぞれ異なる複数の円錐面を有し、
前記複数の円錐面により、前記レーザ平行光束を前記各頂角に対応する前記収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ光束を収束させる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記多重ビーム生成手段では、
前記複数の円錐面のいずれかが形成された複数の光学素子が前記光軸の方向に配置されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記多重ビーム生成手段は、
前記光軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なる環状の複数のブレーズ回折格子を有し、
前記複数のブレーズ回折格子により、前記レーザ平行光束を前記各ブレーズ角に対応する前記収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ光束を収束させる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項８】
前記ビーム制限手段は、
前記多重ビームの有効ビーム半径の５倍以上の外周領域を通る前記レーザ平行光束の成分の通過を制限する、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項９】
前記ビーム制限手段は、
前記多重ビーム生成手段から出射された前記多重ビームが入射する開口部と、
前記多重ビームにより前記開口部の開口像を結像させるアフォーカル光学系と、
を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１０】
径が異なる複数の輪帯開口部を有するアパーチャ部と、
前記アパーチャ部を通過したレーザ光束を集光するレンズと、
を備え、
前記アパーチャ部及び前記レンズにより、前記多重ビーム生成手段が構成され、
前記アパーチャ部により、前記ビーム制限手段が構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
【請求項１１】
レーザ平行光束を発振するレーザ発振器と、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学装置と、
を備える光源装置。
【請求項１２】
前記レーザ発振器から出射された前記レーザ平行光束の径を拡大して前記光学装置に入射する拡大光学系をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学装置を備え、
前記光学装置から出射される多重ビームを用いて、加工対象物を加工するレーザ加工装置。
【請求項１４】
光軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なり、レーザ平行光束を前記各ブレーズ角に対応する収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ平行光束に基づくレーザ光束を収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる前記収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された前記収束角毎の前記ベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する複数の環状のブレーズ回折格子が、前記レーザ光束の出射面に設けられている回折光学素子。
【請求項１５】
前記レーザ平行光束の入射面に、前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの位相を調整する位相調整手段が設けられている、
ことを特徴とする請求項１４に記載の回折光学素子。
【請求項１６】
請求項１０に記載の光学装置から出射される多重ビームを、情報記録媒体の記録面に照射する光ピックアップ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の光ピックアップと、
前記光ピックアップから出射される多重ビームを用いて、情報記録媒体に対する情報の記録、再生及び消去のうちの少なくとも１つを行なう処理装置と、
を備える光ディスク装置。
【請求項１８】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学装置から出射される多重ビームを用いて所定の処理を行うレーザ装置。
【請求項１】
入射するレーザ平行光束に基づくレーザ光束を所定の収束角で光軸上に収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる前記収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された前記収束角毎の前記ベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する多重ビーム生成手段と、
前記サイドローブの発生に寄与する前記レーザ平行光束又は前記多重ビームの通過を制限するビーム制限手段と、
を備える光学装置。
【請求項２】
前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの強度を調整する強度調整手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの位相を調整する位相調整手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記多重ビーム生成手段と、前記位相調整手段とは、同一の光学素子の出射面側と入射面側とにそれぞれ設けられている、
ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記多重ビーム生成手段は、
中心軸が前記光軸に一致し、かつ、頂角がそれぞれ異なる複数の円錐面を有し、
前記複数の円錐面により、前記レーザ平行光束を前記各頂角に対応する前記収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ光束を収束させる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記多重ビーム生成手段では、
前記複数の円錐面のいずれかが形成された複数の光学素子が前記光軸の方向に配置されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記多重ビーム生成手段は、
前記光軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なる環状の複数のブレーズ回折格子を有し、
前記複数のブレーズ回折格子により、前記レーザ平行光束を前記各ブレーズ角に対応する前記収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ光束を収束させる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項８】
前記ビーム制限手段は、
前記多重ビームの有効ビーム半径の５倍以上の外周領域を通る前記レーザ平行光束の成分の通過を制限する、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項９】
前記ビーム制限手段は、
前記多重ビーム生成手段から出射された前記多重ビームが入射する開口部と、
前記多重ビームにより前記開口部の開口像を結像させるアフォーカル光学系と、
を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１０】
径が異なる複数の輪帯開口部を有するアパーチャ部と、
前記アパーチャ部を通過したレーザ光束を集光するレンズと、
を備え、
前記アパーチャ部及び前記レンズにより、前記多重ビーム生成手段が構成され、
前記アパーチャ部により、前記ビーム制限手段が構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
【請求項１１】
レーザ平行光束を発振するレーザ発振器と、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学装置と、
を備える光源装置。
【請求項１２】
前記レーザ発振器から出射された前記レーザ平行光束の径を拡大して前記光学装置に入射する拡大光学系をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学装置を備え、
前記光学装置から出射される多重ビームを用いて、加工対象物を加工するレーザ加工装置。
【請求項１４】
光軸に直交する方向に周期構造を有し、互いにブレーズ角が異なり、レーザ平行光束を前記各ブレーズ角に対応する収束角で前記光軸に向かって屈折させて、前記レーザ平行光束に基づくレーザ光束を収束させることにより生成されるベッセルビームを、異なる前記収束角でそれぞれ生成するとともに、生成された前記収束角毎の前記ベッセルビームを、それぞれのサイドローブが互いに打ち消し合うように重ね合わせることにより、多重ビームを生成する複数の環状のブレーズ回折格子が、前記レーザ光束の出射面に設けられている回折光学素子。
【請求項１５】
前記レーザ平行光束の入射面に、前記収束角毎に生成される前記ベッセルビームの位相を調整する位相調整手段が設けられている、
ことを特徴とする請求項１４に記載の回折光学素子。
【請求項１６】
請求項１０に記載の光学装置から出射される多重ビームを、情報記録媒体の記録面に照射する光ピックアップ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の光ピックアップと、
前記光ピックアップから出射される多重ビームを用いて、情報記録媒体に対する情報の記録、再生及び消去のうちの少なくとも１つを行なう処理装置と、
を備える光ディスク装置。
【請求項１８】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学装置から出射される多重ビームを用いて所定の処理を行うレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【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２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【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２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２０１１−１７００５２（Ｐ２０１１−１７００５２Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３３０１３（Ｐ２０１０−３３０１３）
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
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