JP3549331B2

JP3549331B2 - Binary optics

Info

Publication number: JP3549331B2
Application number: JP14074696A
Authority: JP
Inventors: 哲山口; 勝宏南田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-05-10
Filing date: 1996-05-10
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2016-05-10
Also published as: JPH09304612A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高次横モードのレーザビームを、強度がガウシアン分布をなすビームに変換するためのバイナリーオプティックスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、レーザ発振器を用いてレーザ加工を行う方法としてはレーザ光を集束して照射する方法が用いられている。このような用途に用いられるレーザビームは、その光強度の空間分布を表す横モードがきれいなガウシアン分布を有するＴＥＭ_００モードとなっていることが望ましく、このビームを例えばガラス基板の表面に刻まれた回折格子により集光するバイナリーオプティックスにより集光させて照射することとなる。
【０００３】
ここで、バイナリーオプティックスは、その断面構造が光の波長オーダーの階段状となっており、進行する光の波面は階段の厚みの違いによりその進行方向が変えられる。即ち、光の透過長が隣の階段と異なるために、光の位相がずれ、光の干渉効果により回折して光路が曲げられる。階段の繰り返しピッチは光路長を一波長だけ違える幅として与えられる。例えばＹＡＧレーザ光を集光する目的のバイナリーオプティックスはその階段構造として幅が数μｍ、厚さが１μｍ程度のものである。例えば同心円状のパターンからなるバイナリーオプティックス１１は凸レンズのような単レンズの機能を有している。凸レンズ機能のバイナリーオプティクスは、入射した平行光線を一点につまり焦点に集めるように働く（例えば、Ｇ．Ｊ．Ｓｗａｎｓｏｎｅｔａｌ．，ＵＳＰａｔｅｎｔ４８９５７９０，（１９９０）参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したレーザ発振器にあっては、特にレーザ出力が大きくなると、高次のモードで発振しやすく、中心にて２つに分割されたＴＥＭ_１０モードや４つに分割されたＴＥＭ_１１モード、更にマトリックス状の斑点模様の形状を有するＴＥＭ_ｎｍモードになり、ビームクォリティーが低下しがちである。このようなモードのレーザ光はうまく集束させることが困難であった。
【０００５】
そこで、本出願人による特願平７−３０５０９０号明細書に記載されているように、上記したバイナリーオプティックスのピッチやパターンを光の横モードに応じて形成することで、所望のビーム形状に近い形状とすることができる。しかしながら、ＴＥＭ_ｎｍモードでは互いに隣接するピークの電界振幅の符号が異なることから、その間の振幅０となる暗部を埋めることが困難であり、その改善が望まれていた。
【０００６】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたもので、ＴＥＭ_ｎｍモードのレーザビームを可及的にＴＥＭ_００モードに近い強度分布、即ちきれいなガウシアン分布のレーザビームに変換することが可能な光学素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、高次横モードのレーザビームを、強度がガウシアン分布をなすビームに変換するべく、前記ビームの光軸を中心として該光軸に直交する面に形成された回折格子よりなるバイナリーオプティックスに於て、前記ビームの各領域の位相をそのモード次数に応じて反転させて該各領域の位相が一致するように、当該バイナリーオプティックスの各領域の厚みを前記ビームの前記各領域に応じて変えたことを特徴とするバイナリーオプティックスを提供する。
ここで、ビームクォリティーファクターＭ^２はニアフィールドとファーフィールドとのビーム幅（ビームプロフィールの標準偏差σ_０、σ_ｓ）の積に比例するものとして定義される。
【０００８】
【数１】

【０００９】
ニアフィールドの電界振幅をＥ_０（ｘ）とファーフィールドの分布Ｐ（ｓ）とから、
【００１０】
【数２】

【数３】

【００１１】
ここで、伝播角θ（光軸とのなす角）、光の波長λを使って、
【数４】

【００１２】
ところが、Ｐ（ｓ）はＥ_０（ｘ／２π）のフーリエ変換であると考えられるから、
【数５】

となる。
【００１３】
具体的にガウシアンビームの場合、その電界振幅は、
【数６】

となる。
【００１４】
ニアフィールドでは、
【数７】

となる。
【００１５】
また、スポットサイズパラメータω（ｚ）は、
【数８】

【００１６】
として与えられるから、ファーフィールドの分布Ｐ（ｓ）は、
【数９】

【００１７】
となる。また、Ｐ（ｓ）は、
【数１０】

【００１８】
のフーリエ変換と考えられる。規格化定数を考えて、
【数１１】

【数１２】

【００１９】
従って、
【数１３】

となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１に本発明が適用されたレーザ加工装置の要部構成を示す。例えば平均出力１００Ｗのレーザ加工用のＮｄ：ＹＡＧレーザの共振器１から出力された光は焦点距離の異なる２枚のレンズの組合せで構成されるビーム拡大器２を介して拡大され、平行光に変換された後、本発明のバイナリーオプティックス３に入射するようになっている。このレーザ光はビーム形状が円形をなし、その光軸がバイナリーオプティックス３の中心Ｏと一致するように入射するものとする。そして、ビーム変形された光は平行光にするためのバイナリーオプティックス４を介してビーム改質装置５にて平行光にし難い低質成分が除去され、公知のレーザ加工に用いられることとなる。
【００２１】
ここで、共振器１内にはビームの横モードを固定するためのアパチャー部材１０が設けられている。これは共振器１から出力されるビームの横モードをリングモード等時間的に変化するモードではなく固定された１つのＴＥＭ_ｎｍモードとするべく、固定するべきモードに応じた形状及び数の開口を設けた遮蔽部材である。本形態ではＴＥＭ_０１モードに固定するべく図２に示すように、共振器１のリヤミラー１ａとアウトプットミラー１ｂとの間に楕円形の開口のアパチャー部材１０を設けている。これ以外に、例えば図３に示すような光軸を中心とする４つの開口を有するアパチャー部材２０によりＴＥＭ_１１モードに固定したり、図４に示すような光軸を中心とする１２個の開口を有するアパチャー部材３０によりＴＥＭ_３２モードに固定するなど、任意のＴＥＭ_ｎｍモードに固定できる。
【００２２】
バイナリーオプティックス３、４は半導体微細加工技術を利用し、石英基板（直径５０ｍｍ）にマスクをかけ露光した後、エッチングして図５（ａ）のＶ−Ｖ線について見た図５（ｂ）に示すような断面形状に作製される。ここで、バイナリーオプティクス３は光軸Ｏを中心として左右の厚みが、一方の位相をπだけ遅らせる（または進ませる）分だけ異なっている。
【００２３】
図６は本実施形態に於けるバイナリーオプティックス３による光路変換及び位相変換、バイナリーオプティックス４による平行光への変換の模式図を示す。上記したアパチャー部材１０により共振器１内にてＴＥＭ_０１モードに固定されたレーザビームは、バイナリーオプティックス３に入射する時点では左右２つのピークを有し、その中心が暗い明暗パターンとなっている（Ａ部）。その電界振幅は左右、即ちＯを原点としてｘ＞０とｘ＜０とで符号が異なり、即ち位相がπだけずれている（Ｂ部）。
【００２４】
このようなレーザビームがバイナリーオプティックス３に入射すると中心付近に集光するように回折を起こさせるばかりでなく、右半分または左半分のいずれか一方の位相をπだけシフトさせ電界振幅が同符号となるようにしてバイナリーオプティクス４で平行光に戻す。すると、その強度分布（Ｃ部）及び電界振幅（Ｄ部）は中央部にギャップがあることを除くとガウシアン分布に近いものになる。
【００２５】
ここで、図６のＣ部に示すような強度分布はガウシアンビームが中央部のギャップの幅に相当する幅Ｄの線状遮蔽物を通過する問題に帰着する（図７）。これは幅Ｄのスリットによるフラウンホーファー回折と相補的な関係にあるので、バイナリーオプティックス４の中心から直線距離Ｒ_０、光軸から距離ｘ_０の地点に於ける電界振幅Ｅ（ｘ_０）は、
【００２６】
【数１４】

【００２７】
となる。つまり、ガウシアン分布から、幅Ｄのスリットから回折された成分を差し引いてやれば良い。ω＝１５ｍｍのガウシアンビームが幅Ｄの線状遮蔽物を通過するとして計算し、任意のギャップの幅Ｄに対して、バイナリーオプティックス３からの距離Ｒの位置に於けるビームブロフィール（｜Ｅ（Ｘ_０）｜^２；−３０ｍｍ≦ｘ_０≦３０ｍｍ）を図８〜図１２に示す。これにより、出射光の中心を遮蔽することによる回折成分はバイナリーオプティックスから離れる（Ｒが大になる）に従い左右に散らばることがわかる。特にＤが小さいほど早く散らばってしまうことがわかる。実際にはＤが３０〜５０μｍ以下になるとガウシアン分布とほとんど違いのないビームプロフィールになる。
【００２８】
上記した回折成分はバイナリーオプティックス４によって平行光とすることができないことから、図６のＥ部に示すようにファーフィールドではビームクォリティーの悪い成分が中心から離間した位置に発生する。この回折成分を除には、ビーム改質装置５を用いる。まず、バイナリーオプティックス４から入射した光をレンズ７で絞ってその焦点位置近傍にてアパチャー部材８に設けられた小径の開口８ａを通す（図１３）。このようにすると左右に散らばった回折成分は開口８ａを通ることができない。そして、レンズ９をもって再び平行光に戻してやれば、ガウシアンモードに近いビームを取り出すことができる。このように、ニアフィールドでｘ＝０において電界振幅は０なのでＭ^２の定義から本来のガウシアンモードに比べてビームクォリティーが劣ったビームでも、ビームクォリティーの悪い成分を空間に分離し、良質部分のみを残すことができる。
【００２９】
一方、上記したように図３に示すような光軸を中心とする４つの開口を有するアパチャー部材２０により共振器１から出力されるレーザビームをＴＥＭ_１１モードに固定した場合、バイナリーオプティックス３に代えて光軸Ｏを中心として左上及び右下の厚みと右上及び左下の厚みとが、一方の位相をπ／２だけ遅らせる（または進ませる）分だけ異なっているバイナリーオプティックス１３を用いる。同様に最大出力が得られる高次モードＴＥＭ_ｎｍについてもそのモードに応じたバイナリーオプティックスを用いてガウシアンビームに近いビームに変換でき、その後上記同様に、ビームクォリティーの悪い部分を空間分離し、良い部分のみを残すことができる。
【００３０】
尚、上記実施形態では各バイナリーオプティックスを透過型としたが、反射型とすることで軸線方向のスペース効率を向上することができる。また、上記実施形態では例えば高次モードＴＥＭ_ｎｍのビームをガウシアンビームに近いビームに変換したが、バイナリーオプティックス３、１３のピッチ及びパターンを変えることで所望の形状であり、かつ所望の強度分布のレーザビームが得られる。
【００３１】
【発明の効果】
かかる構造のバイナリーオプティックスは、ビームの各領域の位相をそのモード次数に応じて反転させて該各領域の位相が一致するように、その入射する領域の厚みをビームの各領域の元の位相に応じた厚みとすることで、溝はあるもののビーム全体の電界振幅の符号が一致する。すると、ある程度出力位置から離間した位置では利用容易な略ガウシアン分布のビームとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたレーザ加工装置の要部構成図。
【図２】図１の共振器の簡略構成を示す斜視図。
【図３】図１の共振器の別の実施形態に於ける簡略構成を示す斜視図。
【図４】図１の共振器の別の実施形態に於ける簡略構成を示す斜視図。
【図５】（ａ）は本発明によるバイナリーオプティックスの平面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ線について見た断面図。
【図６】本発明によるバイナリーオプティックスによる光路変換及び位相変換、及びこれら変換後のビームの平行光への変換を示す模式図。
【図７】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ_０１モードのレーザビームの強度分布を説明するために模式化した説明図。
【図８】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ_０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを２００μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図９】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ_０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを１００μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図１０】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ_０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを５０μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図１１】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ_０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを３０μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図１２】本発明によるバイナリーオプティックスを通過したＴＥＭ_０１モードのレーザビームの中心のギャップＤを２０μｍとしたときのバイナリーオプティックスからの距離Ｒ＝５００（ａ）、３００（ｂ）、２００（ｃ）、１００（ｄ）、５０ｍｍ（ｅ）の位置に於けるビームブロフィール。
【図１３】本発明が適用されたレーザ加工装置のビーム改質装置の構成を示す図。
【図１４】（ａ）は本発明による別の実施形態に於けるバイナリーオプティックスの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線について見た断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線について見た断面図。
【符号の説明】
１共振器
１ａリヤミラー
１ｂアウトプットミラー
２ビーム拡大器
３、４バイナリーオプティックス
５ビーム改質装置
７レンズ
８アパチャー部材
８ａ開口
９レンズ
１０アパチャー部材
１３バイナリーオプティックス
２０、３０アパチャー部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to binary optics for converting a high-order transverse mode laser beam into a beam having a Gaussian intensity distribution.
[0002]
[Prior art]
In general, as a method of performing laser processing using a laser oscillator, a method of converging and irradiating laser light is used. The laser beam used for such an application is preferably a TEM ₀₀ mode in which the transverse mode representing the spatial distribution of the light intensity has a clean Gaussian distribution, and this beam is engraved on the surface of a glass substrate, for example. The light is condensed and irradiated by binary optics that is condensed by the diffraction grating.
[0003]
Here, the binary optics has a cross-sectional structure in the form of a staircase in the order of the wavelength of light, and the traveling direction of the wavefront of the traveling light is changed depending on the thickness of the staircase. That is, since the light transmission length is different from that of the adjacent step, the phase of the light is shifted, and the optical path is bent due to diffraction by the light interference effect. The repetition pitch of the stairs is given as a width that changes the optical path length by one wavelength. For example, binary optics intended for condensing YAG laser light has a staircase structure having a width of several μm and a thickness of about 1 μm. For example, the binary optics 11 having a concentric pattern has a function of a single lens such as a convex lens. Binary optics with a convex lens function acts to collect incident parallel rays at a single point, ie, at the focal point (see, eg, GJ Swanson et al., US Patent 4895790, (1990)).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the laser oscillator described above, especially when the laser output is increased, it is easy to oscillate in a higher order mode, and the TEM ₁₀ mode divided into two at the center and the TEM ₁₁ mode divided into four at the center, Furthermore, it becomes a TEM _nm mode having a matrix-like spotted pattern shape, and the beam quality tends to be lowered. It was difficult to focus the laser beam in such a mode well.
[0005]
Therefore, as described in Japanese Patent Application No. 7-305090 filed by the present applicant, the above-mentioned binary optics pitch and pattern are formed in accordance with the transverse mode of light, thereby obtaining a desired beam shape. The shape can be close. However, in the TEM _nm mode, since the signs of the electric field amplitudes of the adjacent peaks are different, it is difficult to fill a dark part where the amplitude is 0 between them, and improvement has been desired.
[0006]
The present invention has been made in view of such a situation, and an optical element capable of converting a TEM _nm mode laser beam into an intensity distribution as close as possible to the TEM ₀₀ mode, that is, a clean Gaussian distribution laser beam. The purpose is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is formed on a plane perpendicular to the optical axis centered on the optical axis of the beam in order to convert a high-order transverse mode laser beam into a beam having a Gaussian intensity distribution. In the binary optics comprising a diffraction grating, the thickness of each region of the binary optics is adjusted so that the phase of each region of the beam is inverted according to the mode order and the phase of each region matches. Binary optics is provided that is varied according to each region of the beam.
Here, the beam Quality factor M ² is defined as being proportional to the product of the beam width (the standard deviation sigma ₀ of the beam _profile, sigma _s) of the near-field and far-field.
[0008]
[Expression 1]

[0009]
The field amplitude of the near field is calculated from E ₀ (x) and the far field distribution P (s).
[0010]
[Expression 2]

[Equation 3]

[0011]
Here, using the propagation angle θ (angle formed with the optical axis) and the wavelength of light λ,
[Expression 4]

[0012]
However, P (s) is considered to be the Fourier transform of E ₀ (x / 2π).
[Equation 5]

It becomes.
[0013]
Specifically, in the case of a Gaussian beam, the electric field amplitude is
[Formula 6]

It becomes.
[0014]
In the near field,
[Expression 7]

It becomes.
[0015]
The spot size parameter ω (z) is
[Equation 8]

[0016]
Since the far field distribution P (s) is given by
[Equation 9]

[0017]
It becomes. P (s) is
[Expression 10]

[0018]
It can be considered as the Fourier transform. Given the normalization constant,
## EQU11 ##

[Expression 12]

[0019]
Therefore,
[Formula 13]

It becomes.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a main configuration of a laser processing apparatus to which the present invention is applied. For example, the light output from the resonator 1 of an Nd: YAG laser for laser processing with an average output of 100 W is expanded through a beam expander 2 composed of a combination of two lenses having different focal lengths, and converted into parallel light. After the conversion, the light enters the binary optics 3 of the present invention. The laser beam is incident so that the beam shape is circular and the optical axis thereof coincides with the center O of the binary optics 3. The beam-deformed light is removed from the low-quality components that are difficult to be converted into parallel light by the beam modifying device 5 through the binary optics 4 for making the light parallel, and is used for known laser processing.
[0021]
Here, an aperture member 10 for fixing the transverse mode of the beam is provided in the resonator 1. This is because the transverse mode of the beam output from the resonator 1 is not a mode that changes with time, such as a ring mode, but a single TEM _nm mode that has a fixed shape and number of apertures corresponding to the mode to be fixed. It is the shielding member provided. In this embodiment, as shown in FIG. 2, an aperture member 10 having an elliptical opening is provided between the rear mirror 1a and the output mirror 1b of the resonator 1 so as to be fixed in the TEM ₀₁ mode. In addition to this, for example, the aperture member 20 having four openings centered on the optical axis as shown in FIG. 3 is fixed to the TEM ₁₁ mode, or twelve openings centered on the optical axis as shown in FIG. It can be fixed to an arbitrary TEM _nm mode, for example, fixed to the TEM ₃₂ mode by the aperture member 30 having the above.
[0022]
Binary optics 3 and 4 use a semiconductor microfabrication technique, and a quartz substrate (diameter 50 mm) is masked and exposed, and then etched and viewed along the line VV in FIG. 5A. The cross-sectional shape as shown in FIG. Here, in the binary optics 3, the thicknesses on the left and right sides with respect to the optical axis O are different from each other by the amount by which one phase is delayed (or advanced) by π.
[0023]
FIG. 6 is a schematic diagram of optical path conversion and phase conversion by the binary optics 3 and conversion to parallel light by the binary optics 4 in the present embodiment. The laser beam fixed in the TEM ₀₁ mode in the resonator 1 by the aperture member 10 described above has two peaks on the left and right when entering the binary optics 3, and has a dark light-dark pattern at the center. (Part A). The electric field amplitude is left and right, that is, the sign is different between x> 0 and x <0 with O as the origin, that is, the phase is shifted by π (part B).
[0024]
When such a laser beam is incident on the binary optics 3, it not only causes diffraction so as to be condensed near the center, but also shifts the phase of either the right half or the left half by π so that the electric field amplitude has the same sign. Then, the binary optics 4 is used to return to parallel light. Then, the intensity distribution (C part) and the electric field amplitude (D part) are close to the Gaussian distribution except that there is a gap in the central part.
[0025]
Here, the intensity distribution as shown in part C of FIG. 6 results in a problem that the Gaussian beam passes through a linear shield having a width D corresponding to the width of the gap in the central part (FIG. 7). Since this is complementary to the Fraunhofer diffraction by the slit having the width D, the electric field amplitude E (x ₀ ) at the point of the linear distance R ₀ from the center of the binary optics 4 and the distance x ₀ from the optical axis is ,
[0026]
[Expression 14]

[0027]
It becomes. That is, the component diffracted from the slit having the width D may be subtracted from the Gaussian distribution. A Gaussian beam of ω = 15 mm is calculated as passing through a linear shield of width D, and for any gap width D, a beam brofill (| E at a distance R from the binary optics 3). (X ₀ ) | ² ; −30 mm ≦ x ₀ ≦ 30 mm) is shown in FIGS. Accordingly, it can be seen that the diffraction component due to shielding the center of the emitted light is scattered to the left and right as the distance from the binary optics increases (R increases). In particular, it can be seen that the smaller D is, the faster it is scattered. Actually, when D is 30 to 50 μm or less, the beam profile is almost the same as the Gaussian distribution.
[0028]
Since the above-described diffraction component cannot be converted into parallel light by the binary optics 4, in the far field, a component having a poor beam quality is generated at a position away from the center as shown in E part of FIG. In order to remove this diffraction component, the beam reformer 5 is used. First, light incident from the binary optics 4 is narrowed by the lens 7 and passed through a small-diameter opening 8a provided in the aperture member 8 in the vicinity of the focal position (FIG. 13). In this way, diffraction components scattered on the left and right cannot pass through the opening 8a. And if it returns to parallel light again with the lens 9, the beam near Gaussian mode can be taken out. Thus, in x = 0 at the near-field electric field amplitude in beams inferior beam Quality than from the definition of 0 because M ² to the original Gaussian mode, separating the bad component of the beam Quality in the space, good portion only Can leave.
[0029]
On the other hand, when the laser beam output from the resonator 1 is fixed in the TEM ₁₁ mode by the aperture member 20 having four openings centered on the optical axis as shown in FIG. Instead, binary optics 13 is used in which the upper left and lower right thicknesses and the upper right and lower left thicknesses differ from each other by a phase that is delayed (or advanced) by π / 2 around the optical axis O. Similarly, the higher-order mode TEM _nm that can obtain the maximum output can also be converted to a beam close to a Gaussian beam using binary optics corresponding to the mode, and then, similarly to the above, the portion with poor beam quality is spatially separated and is good. Only the part can be left.
[0030]
In the above embodiment, each binary optics is a transmission type. However, the space efficiency in the axial direction can be improved by using a reflection type. In the above embodiment, for example, a high-order mode TEM _nm beam is converted into a beam close to a Gaussian beam. However, by changing the pitch and pattern of the

binary optics

3 and 13, a desired shape and a desired intensity distribution are obtained. The laser beam is obtained.
[0031]
【The invention's effect】
The binary optics having such a structure reverses the phase of each region of the beam according to its mode order, and the thickness of the incident region is changed to the original phase of each region of the beam so that the phase of each region matches. By setting the thickness according to, the sign of the electric field amplitude of the entire beam coincides although there is a groove. Then, a beam having a substantially Gaussian distribution that is easy to use is obtained at a position somewhat away from the output position.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of a laser processing apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a perspective view showing a simplified configuration of the resonator shown in FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a simplified configuration in another embodiment of the resonator shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a perspective view showing a simplified configuration in another embodiment of the resonator of FIG. 1;
5A is a plan view of binary optics according to the present invention, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line VV of FIG. 5A.
FIG. 6 is a schematic diagram showing optical path conversion and phase conversion by binary optics according to the present invention, and conversion of the beam after the conversion into parallel light.
FIG. 7 is an explanatory diagram schematically illustrating the intensity distribution of a TEM ₀₁ mode laser beam that has passed through binary optics according to the present invention.
FIG. 8 shows distances R = 500 (a), 300 (b), and 200 (b) from the binary optics when the gap D at the center of the TEM ₀₁ mode laser beam that has passed through the binary optics according to the present invention is 200 μm. c) Beam brofill at positions 100, 100 (d) and 50 mm (e).
FIG. 9 shows distances R = 500 (a), 300 (b), and 200 (b) from the binary optics when the gap D at the center of the TEM ₀₁ mode laser beam that has passed through the binary optics according to the present invention is 100 μm. c) Beam brofill at positions 100, 100 (d) and 50 mm (e).
FIG. 10 shows distances R = 500 (a), 300 (b), and 200 (b) from the binary optics when the gap D at the center of the TEM ₀₁ mode laser beam that has passed through the binary optics according to the present invention is 50 μm. c) Beam brofill at positions 100, 100 (d) and 50 mm (e).
FIG. 11 shows distances R = 500 (a), 300 (b), and 200 (b) from the binary optics when the gap D at the center of the TEM ₀₁ mode laser beam that has passed through the binary optics according to the present invention is 30 μm. c) Beam brofill at positions 100, 100 (d) and 50 mm (e).
FIG. 12 shows distances R = 500 (a), 300 (b), and 200 (b) from the binary optics when the gap D at the center of the TEM ₀₁ mode laser beam that has passed through the binary optics according to the present invention is 20 μm. c) Beam brofill at positions 100, 100 (d) and 50 mm (e).
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a beam modifying apparatus of a laser processing apparatus to which the present invention is applied.
14A is a plan view of binary optics in another embodiment according to the present invention, FIG. 14B is a sectional view taken along line BB in FIG. 14A, and FIG. 14C is FIG. Sectional drawing seen about CC line.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Resonator 1a Rear mirror 1b Output mirror 2 Beam expander 3, 4 Binary optics 5 Beam modification device 7 Lens 8 Aperture member 8a Aperture 9 Lens 10 Aperture member 13

Binary optics

20, 30 Aperture member

Claims

In order to convert a high-order transverse mode laser beam into a beam having an intensity Gaussian distribution, binary optics comprising a diffraction grating formed on a plane perpendicular to the optical axis centered on the optical axis of the beam. ,
The thickness of each region of the binary optics depends on the original phase of each region of the beam so that the phase of each region of the beam is inverted according to its mode order and the phase of each region matches. Binary optics characterized by having changed.