专利名称：激光整形及波阵面控制用光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统，其将激光的强度分布整形成任意的强度分布并且控制该激光的波阵面。
背景技术：
一般而言，激光多数如高斯分布那样具有中央附近最强、朝周边依次减弱的强度分布。然而，在激光加工等中，期望具有空间上强度分布均匀的激光。关于此点，专利文献 I中，作为将激光的强度分布整形成空间上均匀的强度分布的激光整形用光学系统，公开有具备非球面透镜型的均化器(homogenize!·)的光学系统。该专利文献I所公开的激光整形用光学系统，为了解决来自于均化器的射出激光对应于传播距离而畸变的问题，在均化器正后方具备复制透镜系统(成像光学系统)。
另外，在激光加工等中，期望可以进行微细加工。例如，在形成光波导路等的改质层的情况下，期望聚光点尽量小。然而，若加工位置变深，则因像差(波阵面畸变)而使聚光区域扩展，因而难以维持良好的加工状态。关于此点，专利文献2及3中，作为修正激光的像差的光学系统、即控制激光的波阵面的波阵面控制用光学系统，公开有具备空间光调制器(Spatial Light Modulator :SLM)的光学系统。还有,专利文献2中公开的波阵面控制用光学系统，为了使SLM中的波阵面形状与聚光光学系统中的波阵面形状一致，在SLM与聚光光学系统之间具备调整光学系统(成像光学系统)。
专利文献
专利文献1:日本特开2007-310368号公报
专利文献2 日本特开2009-034723号公报
专利文献3 :日本特开2010-075997号公报发明内容
发明所要解决的问题
本申请发明人们尝试兼顾将激光的强度分布整形成空间上均匀的强度分布、以及控制激光的波阵面的两者。然而，在专利文献I所公开的激光整形用光学系统中，若在均化器与成像光学系统之间具备SLM，则因为将成像光学系统的入射侧成像面设定于均化器的射出面，因而产生SLM的输出像在聚光光学系统无法成像且无法充分地进行波阵面控制 (修正像差)的问题。
另一方面，在专利文献2所公开的波阵面控制用光学系统中，若在SLM的前段具备均化器，则因为将成像光学系统的入射侧成像面设定于SLM的调制面，因而产生均化器的输出像在聚光光学系统无法成像且整形后的激光的强度分布发生畸变的问题。
因此，本发明的目的在于，提供一种激光整形及波阵面控制用光学系统，其能够简单地兼顾将激光的强度分布整形成任意的强度分布、以及控制激光的波阵面的两者。
解决问题的技术手段
本发明的激光整形及波阵面控制用光学系统具备强度转换透镜，其将入射激光 的强度分布转换且整形成所期望的强度分布；光调制元件，其调制来自于强度转换透镜的 射出激光且进行波阵面控制；聚光光学系统，其将来自于光调制元件的输出激光聚光；及 成像光学系统，其配置于光调制元件与聚光光学系统之间，在将来自强度转换透镜的射出 激光的强度分布分布成所期望的强度分布的面与光调制元件的调制面之间具有入射侧成 像面，在聚光光学系统具有射出侧成像面。
根据该激光整形及波阵面控制用光学系统，因为成像光学系统在将来自强度转换 透镜的射出激光的强度分布分布成所期望的强度分布的面与光调制元件的调制面之间具 有入射侧成像面，因而能够将由强度转换透镜整形了的所期望的强度分布、及由光调制元 件控制了的波阵面一起传像至聚光光学系统。因此，能够简单地兼顾将激光的强度分布整 形成任意的强度分布以及控制激光的波阵面的两者。
在此，强度转换透镜是将入射激光的强度分布整形的透镜，同时也使入射激光的 波阵面(换言之，入射激光的相位)改变。该激光整形及波阵面控制用光学系统，与仅由光调 制元件进行波阵面控制的情况相比，通过利用由该强度转换透镜产生的波阵面(像差)的变 化，从而能够提高波阵面控制分辨率。
将来自于上述的强度转换透镜的射出激光的强度分布分布成所期望的强度分布 的面，也可以位于光调制元件的调制面，上述的成像光学系统也可以在光调制元件的调制 面具有入射侧成像面。
通过该构成，能够更加严密地将由强度转换透镜整形了的所期望的强度分布、及 由光调制元件控制了的波阵面传像至聚光光学系统。
上述的激光整形及波阵面控制用光学系统，也可以进一步具备相位修正透镜，其 配置于将来自强度转换透镜的射出激光的强度分布分布成所期望的强度分布的面，且使来 自强度转换透镜的射出激光的相位一致并将其修正成平面波。
即使是该构成，也能够将由强度转换透镜整形了的所期望的强度分布、及由光调 制元件控制了的波阵面一起传像至聚光光学系统。因此，能够简单地兼顾将激光的强度分 布整形成任意的强度分布、以及控制激光的波阵面的两者。
在此，如上所述，在不具备相位修正透镜而仅具备强度转换透镜的构成中，能够利 用由强度转换透镜所产生的波阵面变化，对于像差的修正来说是有效的。然而，在如多点 加工材料的表面的情况那样不需要像差的修正的情况下，进一步具备相位修正透镜的该构 成是有效的。在多点加工材料的表面时，若应用仅使用强度转换透镜的构成，则在光调制元 件，修正由强度转换透镜所产生的波阵面变化，并且有必要控制用于形成多点的波阵面变 化。因此，由光调制元件所实现的波阵面控制量增加。
然而，根据进一步具备相位修正透镜的该构成，由相位修正透镜，使来自于强度转 换透镜的输出激光的相位一致并将其修正成平面波，因此，在光调制元件，可以仅实现用于 形成多点的波阵面变化。因此，由光调制元件所实现的波阵面控制量不增加。
发明的效果
根据本发明，能够简单地兼顾将激光的强度分布整形成任意的强度分布以及控制 激光的波阵面的两者。
图1是显示本发明的第I比较例所涉及的激光整形及波阵面控制用光学系统的构 成图。
图2是显示均化器中的入射激光的强度分布的一个例子及射出激光的所期望的 强度分布的一个例子的图。
图3是均化器中的非球面透镜间的光路特定的概略图。
图4是显示强度转换用非球面透镜的形状的一个例子的图。
图5是显示相位修正用非球面透镜的形状的一个例子的图。
图6是显示用于测量强度转换用非球面透镜的射出激光的强度分布的测量系统 的图。
图7是显示强度转换用非球面透镜的入射激光及射出激光的强度分布的测量结 果的图。
图8是显示本发明的第2比较例所涉及的激光整形及波阵面控制用光学系统的构 成图。
图9是强度转换用非球面透镜的射出激光的光路特定的概略图。
图10是显示聚光透镜的瞳孔面上的强度分布的测量结果的图。
图11是显示用于对透明介质内部的聚光特性进行摄像的摄像系统的图。
图12是显示透明介质内部的聚光特性的摄像结果的图。
图13是显示本发明的第I实施方式所涉及的激光整形及波阵面控制用光学系统 的构成图。
图14是显示由强度转换用非球面透镜所产生的波阵面畸变的图。
图15是显示利用由强度转换用非球面透镜所产生的波阵面变化的情况与未利用 的情况的透明介质内部的聚光特性的图。
图16是显示本发明的第2实施方式所涉及的激光整形及波阵面控制用光学系统 的构成图。
符号的说明
1、1A、1X、1Y激光整形及波阵面控制用光学系统
12激光光源
14空间滤波器
16准直透镜
18、20、22 反射镜
24强度转换用非球面透镜(强度转换透镜)
24x将来自于强度转换透镜的射出激光的强度分布分布成所期望的强度分布的 面
25相位修正用非球面透镜(相位修正透镜)
26均化器
28.30.30X成像光学系统
32 棱镜
34空间光调制器(SLM :光调制元件)
34a调制面
36聚光透镜(聚光光学系统)
36a瞳孔面
41成像透镜系统
42光束轮廓分析仪
50透明材料
51透镜
52CCD摄像机具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明本发明的优选的实施方式。还有，在各附图中，对相同或相当的部份附加相同的符号。
在说明本发明的实施方式之前，说明本发明的比较例。首先，在第I比较例中，设计了如下方式具备将激光的强度分布整形的均化器(homogenize!·)、及进行激光的波阵面控制的空间光调制器(光调制元件以下称为SLM。)，再有，具备2个成像光学系统，其用于将由均化器所整形的强度分布、及由SLM所控制的波阵面一起传像至任意的位置。
[第I比较例]
图1是显示本发明的第I比较例所涉及的激光整形及波阵面控制用光学系统的构成图。该第I比较例的激光整形及波阵面控制用光学系统IX具备激光光源12 ;空间滤波器14 ;准直透镜16 ;反射镜18、20、22 ;均化器26 ;成像光学系统28、30X ;棱镜32 ；SLM34 ； 及聚光透镜(聚光光学系统)36。
激光光源12是例如Nd =YAG激光。空间滤波器14例如具备倍率为10倍的物镜、 及直径Φ=50μπι的针孔。准直透镜16是例如平凸透镜。如此，通过使自激光光源12射出的激光通过空间滤波器14及准直透镜16，将强度分布整形成同心圆状的高斯分布(图2的 Oi )。强度分布整形后的激光，通过反射镜18转换90度方向，入射至均化器26。
均化器26是用于将激光的强度分布整形成任意的形状的均化器。均化器26具备一对非球面透镜24、25。均化器26中，入射侧的非球面透镜24，作为将激光的强度分布整形成任意的形状的强度转换用非球面透镜而发挥功能，射出侧的非球面透镜25，作为使整形后的激光的相位一致并将其修正成平面波的相位修正用 非球面透镜而发挥功能。该均化器26中，通过一对非球面透镜24、25的非球面的形状设计，从而可生成将入射激光Oi的强度分布整形成所期望的强度分布的射出激光Oo。
以下，例示均化器26中的一对非球面透镜24、25的非球面的形状设计的一个例子。例如，将所期望的强度分布设定成在激光加工装置中所期望的空间上均匀的强度分布、 即超高斯分布(图2的0ο)。在此，有必要将所期望的强度分布设定成射出激光Oo的能量 (所期望的强度分布的面积)与入射激光Oi的能量(强度分布的面积)相等。因此，例如，超高斯分布的设定可以如以下所述进行。
入射激光Oi的强度分布，如图2所示，是同心圆状的高斯分布(波长1064nm、光束直径5. 6mmatl/e2、ω =2. Omm) 因为高斯分布通过下述(I)式表不，因而入射激光Oi的半径6mm的范围内的能量为下述(2)式。
[数 I]
权利要求
1.一种激光整形及波阵面控制用光学系统，其特征在于，具备强度转换透镜，其将入射激光的强度分布转换并整形成所期望的强度分布；光调制元件，其调制来自于所述强度转换透镜的射出激光并进行波阵面控制；聚光光学系统，其将来自于所述光调制元件的输出激光聚光；及成像光学系统，其配置于所述光调制元件与所述聚光光学系统之间，在将来自于所述强度转换透镜的射出激光的强度分布分布成所述所期望的强度分布的面与所述光调制元件的调制面之间具有入射侧成像面，在所述聚光光学系统具有射出侧成像面。
2.如权利要求1所述的激光整形及波阵面控制用光学系统，其特征在于，将来自于所述强度转换透镜的射出激光的强度分布分布成所述所期望的强度分布的面，位于所述光调制元件的调制面，所述成像光学系统在所述光调制元件的调制面具有入射侧成像面。
3.如权利要求1所述的激光整形及波阵面控制用光学系统，其特征在于，进一步具备相位修正透镜，该相位修正透镜配置于将来自于所述强度转换透镜的射出激光的强度分布分布成所述所期望的强度分布的面，使来自于所述强度转换透镜的射出激光的相位一致并将其修正成平面波。
全文摘要
本发明的一个实施方式所涉及的激光整形及波阵面控制用光学系统(1)具备强度转换透镜(24)，其将入射激光的强度分布转换并整形成所期望的强度分布；光调制元件(34)，其调制来自于强度转换透镜(24)的射出激光且进行波阵面控制；聚光光学系统(36)，其将来自于光调制元件(34)的输出激光聚光；及成像光学系统(30)，其配置于光调制元件(34)与聚光光学系统(36)之间，在将来自于强度转换透镜(24)的射出激光的强度分布分布成所期望的强度分布的面(24x)与光调制元件(34)的调制面(34a)之间具有入射侧成像面，且在聚光光学系统(36)的瞳孔面(36a)具有射出侧成像面。
文档编号G02B5/00GK103069328SQ20118003818
公开日2013年4月24日 申请日期2011年7月13日 优先权日2010年8月3日
发明者伊藤晴康, 安田敬史 申请人:浜松光子学株式会社