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JP6909092B2 - 光源装置及びレーザ光照射装置 - Google Patents
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JP6909092B2 - 光源装置及びレーザ光照射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光源装置及びそれを具備するレーザ光照射装置に関する。
従来、光源装置に関する技術として、例えば特許文献1に記載された直線偏光光源が知られている。特許文献1に記載された直線偏光光源は、反射鏡を有する光源と、光源からの光束を偏光方向が互いに直交する2つの光束に分離する偏光ビームスプリッタと、光源と偏光ビームスプリッタとの間に配置された1/4波長板と、2つの光束の何れか一方を反射して光源の反射鏡に入射させる光束反射素子と、を備える。特許文献1に記載された直線偏光光源では、効率よく直線偏光光を発生することが図られている。
特開平2−264904号公報
上述したような光源装置では、例えば価格の安さ、出力の高さ、及び流通の多さ等から、ランダム偏光のレーザ光を出射するファイバレーザを用いる場合がある。この場合、当該ファイバレーザに起因する次の課題が存在する。すなわち、ランダム偏光のレーザ光では、偏光方向が一定ではなく変化する。よって、直線偏光のレーザ光を得るべく、偏光ビームスプリッタを用いて偏光成分ごとにレーザ光を分岐すると、分岐後の各レーザ光の比率が一定ではなく変動する。その結果、得られた直線偏光のレーザ光のレーザ出力についても、変動する(不安定になる)おそれがある。
そこで、本発明は、ランダム偏光のレーザ光を出射するファイバレーザを用いた光源装置及びレーザ光照射装置において、安定して直線偏光のレーザ光を得ることを課題とする。
本発明に係る光源装置は、ランダム偏光のレーザ光を出射するファイバレーザと、ファイバレーザで出射したレーザ光を、偏光成分ごとに第1分岐レーザ光と第2分岐レーザ光とへ分岐する偏光ビームスプリッタと、第2分岐レーザ光の偏光方向を第1分岐レーザ光の偏光方向と同じになるように変える波長板と、偏光ビームスプリッタで分岐された第1分岐レーザ光と波長板で偏光方向を変えた第2分岐レーザ光とを、合波して合波レーザ光として出力するハーフミラーと、を備える。
この光源装置では、ファイバレーザから出射されたランダム偏光のレーザ光は、偏光ビームスプリッタで偏光成分ごとに分岐される。第2分岐レーザ光の偏光方向が、第1分岐レーザ光の偏光方向と同じになるように波長板により変えられる。そして、ハーフミラーによって、互いに同じ偏光方向となった第1及び第2分岐レーザ光が合波されて出力される。したがって、ランダム偏光のレーザ光を出射するファイバレーザを用いた場合でも、当該ファイバレーザの偏光特性によらずに、安定して直線偏光のレーザ光を得ることが可能となる。
本発明に係る光源装置では、ファイバレーザは、種光を増幅する本体部と、本体部に導光ファイバを介して接続され、レーザ光を出射するレーザヘッド部と、を有していてもよい。この構成では、ファイバレーザは、いわゆるヘッド分離型のファイバレーザを構成する。この場合、導光ファイバの曲げ等により、ファイバレーザから出射するレーザ光の偏光に影響が出やすい。よって、用いたファイバレーザの偏光特性によらずに安定して直線偏光のレーザ光を得るという上記効果は、特に有効である。
本発明に係る光源装置では、第1分岐レーザ光の光路と第2分岐レーザ光の光路との光路差が、ファイバレーザの可干渉距離よりも長くてもよい。この構成によれば、ハーフミラーによって合波する第1及び第2分岐レーザ光が干渉するのを抑制することが可能となる。
本発明に係る光源装置では、合波レーザ光は、第1分岐レーザ光と同軸の第1合波レーザ光、及び、第2分岐レーザ光と同軸の第2合波レーザ光を含んでいてもよい。この構成によれば、2つの直線偏光のレーザ光が得られることから、種々の仕様等に適用させ易くなる。
本発明に係るレーザ光照射装置は、上記光源装置を具備するレーザ光照射装置であって、第1合波レーザ光が入射される第1偏光素子、及び第2合波レーザ光が入射される第2偏光素子を有する光学系を備える。
このレーザ光照射装置は、上記光源装置を具備することから、ランダム偏光のレーザ光を出射するファイバレーザを用いた場合に安定して直線偏光のレーザ光を得るという上記効果を奏する。また、このレーザ光照射装置では、ハーフミラーによって合波されることで得られた2つの直線偏光のレーザ光の双方を利用したレーザ光照射が可能となる。
本発明に係るレーザ光照射装置は、上記光源装置を具備するレーザ光照射装置であって、第1合波レーザ光及び第2合波レーザ光の何れか一方が入射される偏光素子、及び、第1合波レーザ光及び第2合波レーザ光の何れか他方を遮蔽するビームダンパーを有する光学系を備える。
このレーザ光照射装置は、上記光源装置を具備することから、ランダム偏光のレーザ光を出射するファイバレーザを用いた場合に安定して直線偏光のレーザ光を得るという上記効果を奏する。また、このレーザ光照射装置では、ハーフミラーによって合波されることで得られた2つの直線偏光のレーザ光の何れか一方のみを利用したレーザ光照射が可能となる。
本発明によれば、ランダム偏光のレーザ光を出射するファイバレーザを用いた光源装置及びレーザ光照射装置において、安定して直線偏光のレーザ光を得ることが可能となる。
第1実施形態に係るレーザ光照射装置を示す概略構成図である。 図1のファイバレーザから出射されるレーザ光を説明するためのグラフである。 図1の光源装置から出力される合波レーザ光を説明するためのグラフである。 第2実施形態に係るレーザ光照射装置を示す概略構成図である。
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。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係るレーザ光照射装置100を示す概略構成図である。レーザ光照射装置100は、対象物Tに直線偏光のレーザ光Lを照射する装置であって、光源装置1及び光学系30を備える。直線偏光とは、電場(及び磁場)の振動方向が一定である偏光状態を意味する。
光源装置1は、ファイバレーザ10と、偏光調整ユニット20と、を備える。ファイバレーザ10は、ランダム偏光のレーザ光L0を出射する。ランダム偏光とは、直線偏光ではあるが、偏光方向が一定ではなく時間と共に変化する偏光状態を意味する。ファイバレーザ10は、種光を増幅する本体部11と、本体部11に導光ファイバ12を介して接続されたレーザヘッド部13と、を有する。ファイバレーザ10は、増幅媒質に光ファイバを使った固体レーザである。ここでのファイバレーザ10は、いわゆるヘッド分離型のファイバレーザである。本体部11は、種光を発振するレーザダイオード14と、種光を増幅して出力する増幅部15と、含む。レーザヘッド部13は、ランダム偏光のレーザ光L0を出射する。
偏光調整ユニット20は、偏光ビームスプリッタ21と、ミラー22と、1/2波長板(波長板)23と、ミラー24と、ハーフミラー25と、を有する。偏光ビームスプリッタ21は、ファイバレーザ10で出射したレーザ光L0を、偏光成分ごとに第1分岐レーザ光L1と第2分岐レーザ光L2とへ分岐する。換言すると、偏光ビームスプリッタ21は、レーザ光L0の光路P0を、第1分岐レーザ光L1の光路である第1光路P1と、第2分岐レーザ光L2の光路である第2光路P2と、に分岐する。
第1分岐レーザ光L1と第2分岐レーザ光L2とは、偏光方向が互いに直交する。第1分岐レーザ光L1は、P偏光のレーザ光であり、例えば紙面上下方向を偏光方向として有する。第2分岐レーザ光L2は、S偏光のレーザ光であり、例えば紙面垂直方向を偏光方向として有する。P偏光とは、入射面内で電界が振動する直線偏光である。S偏光とは、S偏光は、入射面に垂直に電界が振動する直線偏光である。
ミラー22は、第2光路P2に配置されている。ミラー22は、第2分岐レーザ光L2を1/2波長板23へ向かって反射する。1/2波長板23は、第2光路P2においてミラー22の下流側に配置されている。1/2波長板23は、第2分岐レーザ光L2の偏光成分を回転させ、第2分岐レーザ光L2の偏光方向を、第1分岐レーザ光L1の偏光方向と同じになるように変える。
ミラー24は、第2光路P2において1/2波長板23の下流側に配置されている。ミラー24は、第2分岐レーザ光L2をハーフミラー25へ向かって反射する。ハーフミラー25は、第1光路P1の下流側と第2光路P2の下流側との合流部分に配置されている。ハーフミラー25は、偏光ビームスプリッタ21で分岐された第1分岐レーザ光L1と1/2波長板23で偏光方向を変えた第2分岐レーザ光L2とを、合波して合波レーザ光L3として出力する。ハーフミラー25は、キューブ型の無偏光ハーフミラーである。ハーフミラー25は、50%の透過率及び50%の反射率を有する。
合波レーザ光L3は、直線偏光のレーザ光であり、ここでは。P偏光のレーザ光である。合波レーザ光L3は、第1分岐レーザ光L1と同軸の第1合波レーザ光L31、及び、第2分岐レーザ光L2と同軸の第2合波レーザ光L32を含む。第1合波レーザ光L31は、ハーフミラー25を透過した第1分岐レーザ光L1の一部とハーフミラー25で反射した第2分岐レーザ光L2の一部とが合波されてなるレーザ光である。第2合波レーザ光L32は、ハーフミラー25で反射した第1分岐レーザ光L1の一部とハーフミラー25を透過した第2分岐レーザ光L2の一部とが合波されてなるレーザ光である。
第2光路P2は、偏光ビームスプリッタ21からミラー22までの第3光路P21と、ミラー24からハーフミラー25までの第4光路P22と、ミラー22からミラー24までの第5光路P23を含む。第5光路P23は、第1光路P1と同じ光路長を有する。第1光路P1と第2光路P2との光路差(つまり、第3光路P21及び第4光路P22の光路長)は、ファイバレーザ10の可干渉距離よりも長い。可干渉距離は、第1分岐レーザ光L1と第2分岐レーザ光L2とを合波するときに光の干渉現象が現れる距離の上限である。
光学系30は、空間光変調器(第1偏光素子)31、4f光学系32、集光レンズ33、空間光変調器(第2偏光素子)35、4f光学系36、及び、集光レンズ37を有する。空間光変調器31,35は、例えば反射型液晶(LCOS:Liquid Crystal on Silicon)の空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)である。空間光変調器31は、第1合波レーザ光L31が入射される偏光素子である。空間光変調器31は、入射した第1合波レーザ光L31を変調すると共に反射する。空間光変調器35は、第2合波レーザ光L32が入射される偏光素子である。空間光変調器35は、入射した第2合波レーザ光L32を変調すると共に反射する。
空間光変調器31,35は、変調パターンを表示可能な表示部を有する。空間光変調器31は、第1合波レーザ光L31を変調パターンに入射させることで、当該変調パターンに応じて第1合波レーザ光L31の波面を調整する。空間光変調器35は、第2合波レーザ光L32を変調パターンに入射させることで、当該変調パターンに応じて第2合波レーザ光L32の波面を調整する。空間光変調器31,35のそれぞれでは、表示させる各変調パターンを適宜設定することにより、第1及び第2合波レーザ光L31,L32それぞれの変調(例えば、強度、振幅、位相、偏光等の変調)が可能となる。
4f光学系32は、空間光変調器31によって変調された第1合波レーザ光L31の波面形状を調整(波面調整)する調整光学系である。4f光学系32は、空間光変調器31と集光レンズ33との間の光路上に配置されている。4f光学系36は、空間光変調器35によって変調された第2合波レーザ光L32の波面形状を調整する調整光学系である。4f光学系36は、空間光変調器35と集光レンズ37との間の光路上に配置されている。
集光レンズ33は、第1合波レーザ光L31を対象物Tに集光する。集光レンズ37は、第2合波レーザ光L32を対象物Tに集光する。集光レンズ33,37のそれぞれは、複数のレンズを含んで構成されていてもよい。
以上に説明したレーザ光照射装置100では、光源装置1において、ファイバレーザ10から出射されたランダム偏光のレーザ光L0は、偏光ビームスプリッタ21で偏光成分ごとに分岐される。1/2波長板23により、第2分岐レーザ光L2の偏光成分が回転させられ、第2分岐レーザ光L2の偏光方向が第1分岐レーザ光L1の偏光方向と同じ(平行)になるように変えられる。そして、ハーフミラー25によって、互いに同じ偏光方向になった第1及び第2分岐レーザ光L1,L2が合波され、最終的に単一の直線偏光に揃えられた合波レーザ光L3として出力される。
合波レーザ光L3のうちの第1合波レーザ光L31は、光学系30において、空間光変調器31に入射し、空間光変調器31の表示部に表示された変調パターンに応じて変調された後、4f光学系32により波面調整される。4f光学系32で波面調整された第1合波レーザ光L31は、集光レンズ33により集光されて対象物Tに対してレーザ光Lとして照射される。合波レーザ光L3のうちの第2合波レーザ光L32は、光学系30において、空間光変調器35に入射し、空間光変調器35の表示部に表示された変調パターンに応じて変調された後、4f光学系36により波面調整される。4f光学系36で波面調整された第2合波レーザ光L32は、集光レンズ37により集光されて対象物Tに対してレーザ光Lとして照射される。
図2は、ファイバレーザ10から出射されるレーザ光L0を説明するためのグラフである。縦軸は、レーザ出力を基準出力値で除算して得た規格化レーザ出力である。横軸は、時間(hour)である。「P偏光」のデータラベル値は、ファイバレーザ10で出射されたレーザ光L0を偏光子等で分離してなるP偏光の偏光成分の規格化レーザ出力を示す。「S偏光」のデータラベル値は、ファイバレーザ10で出射されたレーザ光L0を偏光子等で分離してなるS偏光の偏光成分の規格化レーザ出力を示す。「合計」のデータラベル値は、当該P偏光の偏光成分と当該S偏光の偏光成分との合計を示す。
図2に示されるように、合計のレーザ出力は、所定時間の経過後に安定している一方、P偏光及びS偏光のレーザ出力は、合計に比べて変動が大きい。これは、ファイバレーザ10から出射されるレーザ光L0は、ランダム偏光の偏光を有しており、P偏光の偏光成分とS偏光の偏光成分との比率が変動する。よって、P偏光及びS偏光のレーザ出力が、当該ファイバレーザ10の偏光特性に影響されて不安定になるためである。例えば、ファイバレーザ10では、導光ファイバ12等のファイバが曲がったり潰れたり等すると、出射したレーザ光L0の偏光に影響が発生する場合がある。導光ファイバ12を動かすと動かしている間、偏光が揺らぐ場合がある。したがって、一般的には、光源装置においてランダム偏光のレーザ光L0を出射するファイバレーザ10を用いると、得られる直線偏光のレーザ光に偏光素子(空間光変調器等)を利用することは困難であることがわかる。
これに対して、本実施形態に係る光源装置1によれば、上述したように、ファイバレーザ10から出射されたランダム偏光のレーザ光L0が第1及び第2分岐レーザ光L1,L2に分岐され、第2分岐レーザ光L2の偏光方向が1/2波長板23で第1分岐レーザ光L1の偏光方向と同じになるように変えられ、第1及び第2分岐レーザ光L1,L2がハーフミラー25で合波されて合波レーザ光L3として出力される。よって、ランダム偏光のレーザ光L0を出射するファイバレーザ10を用いた場合でも、当該ファイバレーザ10の偏光特性によらずに、安定して直線偏光のレーザ光L(合波レーザ光L3)を得ることが可能となる。既存の光源装置よりも安価で高出力な光源装置1を得ることができる。
図3は、光源装置1から出力される合波レーザ光L3を説明するためのグラフである。縦軸は、レーザ出力を基準出力値で除算して得た規格化レーザ出力である。横軸は、時間(min)である。「元出力」のデータラベル値は、ファイバレーザ10で出射されたランダム偏光のレーザ光L0の規格化レーザ出力を示す。
「第1分岐レーザ光」のデータラベル値は、ランダム偏光のレーザ光L0を偏光ビームスプリッタ21で分岐しただけの第1分岐レーザ光L1の規格化レーザ出力を示す。ここでの「第1分岐レーザ光」のデータラベル値は、偏光調整(つまり、ハーフミラー25により、第1分岐レーザ光L1と1/2波長板23で偏光方向を変えた第2分岐レーザ光L2とを合波すること)の前におけるP偏光の第1分岐レーザ光L1の規格化レーザ出力である。「合波レーザ光」のデータラベル値は、合波レーザ光L3の規格化レーザ出力を示す。ここでの「合波レーザ光」のデータラベル値は、偏光調整の後におけるP偏光の第1合波レーザ光L31の規格化レーザ出力である。図3に示される結果によれば、偏光調整後の合波レーザ光L3のレーザ出力が、元出力の安定したレーザ出力と同等の出力変動になることを確認することができる。
光源装置1では、ファイバレーザ10は、本体部11とレーザヘッド部13とを有する、いわゆるヘッド分離型のファイバレーザを構成する。この場合、その導光ファイバ12の曲げ等により、ファイバレーザ10から出射するレーザ光L0の偏光に影響が出やすい。よって、用いたファイバレーザ10の偏光特性によらずに安定して直線偏光のレーザ光Lを得るという上記効果は、特に有効である。
光源装置1では、第1分岐レーザ光L1の第1光路P1と第2分岐レーザ光L2の第2光路P2との光路差が、ファイバレーザ10の可干渉距離よりも長い。この構成によれば、ハーフミラー25によって合波する第1及び第2分岐レーザ光L1,L2が干渉するのを抑制することが可能となる。ファイバレーザ10から出射されたレーザ光L0と同じビームプロファイルの合波レーザ光L3を出力できる。
光源装置1では、合波レーザ光L3は、第1分岐レーザ光L1と同軸の第1合波レーザ光L31、及び、第2分岐レーザ光L2と同軸の第2合波レーザ光L32を含む。この構成によれば、2つの直線偏光の第1及び第2合波レーザ光L31,L32が得られることから、種々の仕様等に適用させ易くすることができる。
レーザ光照射装置100においても、光源装置1により、ランダム偏光のレーザ光L0を出射するファイバレーザ10を用いた場合に安定して直線偏光のレーザ光Lを得るという上記効果を奏する。また、レーザ光照射装置100では、ハーフミラー25によって合波されることで得られた2つの第1及び第2合波レーザ光L31,L32の双方を利用したレーザ光照射が可能となる。レーザ出力を2ポート有する(2ビーム利用する)仕様のレーザ光照射装置100を得ることができる。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態のレーザ光照射装置について説明する。本実施形態の説明では、第1実施形態と異なる点について説明する。
図4は、第2実施形態に係るレーザ光照射装置200を示す概略構成図である。図4に示されるように、レーザ光照射装置200は、光学系30(図1参照)に代えて光学系40を備える点で、第1実施形態と異なる。光学系40は、空間光変調器(偏光素子)31、4f光学系32、及び、集光レンズ33及びビームダンパー44を有する。ビームダンパー44は、第2合波レーザ光L32を遮蔽する。
レーザ光照射装置200では、合波レーザ光L3のうちの第1合波レーザ光L31は、光学系30において、空間光変調器31に入射し、空間光変調器31の表示部に表示された変調パターンに応じて変調された後、4f光学系32により波面調整される。4f光学系32で波面調整された第1合波レーザ光L31は、集光レンズ33により集光されて対象物Tに対してレーザ光Lとして照射される。一方、合波レーザ光L3のうちの第2合波レーザ光L32は、ビームダンパー44により遮蔽されて終端させられる。
以上、レーザ光照射装置200においても、光源装置1により、ランダム偏光のレーザ光L0を出射するファイバレーザ10を用いた場合に安定して直線偏光のレーザ光Lを得るという上記効果を奏する。また、レーザ光照射装置200では、ハーフミラー25によって合波されることで得られた2つの第1及び第2合波レーザ光L31,L32の一方のみを利用したレーザ光照射が可能となる。レーザ出力を1ポート有する(1ビーム利用する)仕様のレーザ光照射装置200を得ることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。
上記実施形態は、偏光素子として空間光変調器31,35を備えているが、レーザ光照射装置100,200に適用される偏光素子は特に限定されず、空間光変調器31,35に代えて又は加えて、他の偏光素子を備えていてもよい。
上記第2実施形態では、第1合波レーザ光L31を空間光変調器31に入射させ、第2合波レーザ光L32をビームダンパー44に入射させたが、これとは逆に、第2合波レーザ光L32を空間光変調器31に入射させ、第1合波レーザ光L31をビームダンパー44に入射させてもよい。この場合、第1合波レーザ光L31はビームダンパー44により遮蔽されて終端させられる一方、第2合波レーザ光L32は、空間光変調器31の表示部に表示された変調パターンに応じて変調された後、4f光学系32により波面調整され、集光レンズ33により集光されて対象物Tに対してレーザ光Lとして照射される。
1…光源装置、10…ファイバレーザ、11…本体部、12…導光ファイバ、13…レーザヘッド部、21…偏光ビームスプリッタ、23…1/2波長板(波長板)、25…ハーフミラー、30…光学系、31…空間光変調器(偏光素子,第1偏光素子)、35…空間光変調器(第2偏光素子)、40…光学系、44…ビームダンパー、100,200…レーザ光照射装置、P1…第1光路(第1分岐レーザ光の光路)、P2…第2光路(第2分岐レーザ光の光路)。

Claims (6)

  1. ランダム偏光のレーザ光を出射するファイバレーザと、
    前記ファイバレーザで出射した前記レーザ光を、偏光成分ごとに第1分岐レーザ光と第2分岐レーザ光とへ分岐する偏光ビームスプリッタと、
    前記第2分岐レーザ光の偏光方向を前記第1分岐レーザ光の偏光方向と同じになるように変える波長板と、
    前記偏光ビームスプリッタで分岐された前記第1分岐レーザ光と前記波長板で偏光方向を変えた前記第2分岐レーザ光とを、合波して合波レーザ光として出力するハーフミラーと、を備える光源装置。
  2. 前記ファイバレーザは、
    種光を増幅する本体部と、
    前記本体部に導光ファイバを介して接続され、前記レーザ光を出射するレーザヘッド部と、を有する、請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記第1分岐レーザ光の光路と前記第2分岐レーザ光の光路との光路差が、前記ファイバレーザの可干渉距離よりも長い、請求項1又は2に記載の光源装置。
  4. 前記合波レーザ光は、第1分岐レーザ光と同軸の第1合波レーザ光、及び、前記第2分岐レーザ光と同軸の第2合波レーザ光を含む、請求項1〜3の何れか一項に記載の光源装置。
  5. 請求項4に記載の光源装置を具備するレーザ光照射装置であって、
    前記第1合波レーザ光が入射される第1偏光素子、及び前記第2合波レーザ光が入射される第2偏光素子を有する光学系を備える、レーザ光照射装置。
  6. 請求項4に記載の光源装置を具備するレーザ光照射装置であって、
    前記第1合波レーザ光及び前記第2合波レーザ光の何れか一方が入射される偏光素子、及び、前記第1合波レーザ光及び前記第2合波レーザ光の何れか他方を遮蔽するビームダンパーを有する光学系を備える、レーザ光照射装置。
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