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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6640094
(24)【登録日】2020年1月7日
(45)【発行日】2020年2月5日
(54)【発明の名称】レーザ光照射装置
(51)【国際特許分類】
G02B 27/09 20060101AFI20200127BHJP
A61B 18/22 20060101ALI20200127BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20200127BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20200127BHJP
【ＦＩ】
G02B27/09
A61B18/22
B23K26/064 K
B23K26/00 N
【請求項の数】9
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2016-545600(P2016-545600)
(86)(22)【出願日】2015年8月27日
(86)【国際出願番号】JP2015074153
(87)【国際公開番号】WO2016031895
(87)【国際公開日】20160303
【審査請求日】2018年5月11日
(31)【優先権主張番号】特願2014-174621(P2014-174621)
(32)【優先日】2014年8月28日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000005290
【氏名又は名称】古河電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100089118
【弁理士】
【氏名又は名称】酒井 宏明
(74)【代理人】
【識別番号】100142712
【弁理士】
【氏名又は名称】田代 至男
(72)【発明者】
【氏名】森本 政仁
(72)【発明者】
【氏名】奈良 一孝
(72)【発明者】
【氏名】家垣 昌孝
(72)【発明者】
【氏名】湊 龍一郎
(72)【発明者】
【氏名】齋藤 恒聡
(72)【発明者】
【氏名】末松 克輝
(72)【発明者】
【氏名】高坂 繁弘
(72)【発明者】
【氏名】松下 俊一
【審査官】
山本 貴一
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１０−０６０９１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００３−１５６６９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００７／００７３８８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開平０８−０６８９５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
登録実用新案第３０５９８７５（ＪＰ，Ｕ）
【文献】
特表平１１−５００５４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０００−０１９４５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開昭６２−１４８９２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−１７２６５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００７／０２２３５５２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０２Ｂ ２７／０９，２７／４８，６／００，６／４２
Ａ６１Ｂ １８／２０
Ｂ２３Ｋ ２６／０６４，２６／０７３
Ｈ０１Ｓ ５／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を出射するレーザ光源ユニットと、
前記レーザ光源ユニットから出射されたレーザ光をマルチモードで伝搬するステップインデックス型マルチモード光ファイバと、
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに側圧と曲げと振動とを同時に与えるモード外乱手段と、
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバから出射されるレーザ光の強度分布が略相似形になるようにビーム径を拡大して対象物に照射する対物光学系と、
を備え、
前記ステップインデックス型光ファイバの外形は、略円形である
ことを特徴とするレーザ光照射装置。
前記レーザ光源ユニットから出射されたレーザ光をマルチモードで伝搬するステップインデックス型マルチモード光ファイバと、
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに側圧と曲げと振動とを同時に与えるモード外乱手段と、
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバから出射されるレーザ光の強度分布が略相似形になるようにビーム径を拡大して対象物に照射する対物光学系と、
を備え、
前記ステップインデックス型光ファイバの外形は、略円形である
ことを特徴とするレーザ光照射装置。
【請求項2】
前記モード外乱手段は、巻き束状に配置したステップインデックス型マルチモード光ファイバを２枚の挟持板によって挟持した構造であることを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
【請求項3】
前記レーザ光源ユニットは、一つのレーザ素子を備え、
前記レーザ素子が発振するレーザ光のスペクトル幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光照射装置。
前記レーザ素子が発振するレーザ光のスペクトル幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光照射装置。
【請求項4】
前記レーザ光源ユニットは、複数のレーザ素子を備え、
前記レーザ光源ユニットから出射されるレーザ光は、前記複数のレーザ素子が発振するレーザ光を合波したものであり、
前記複数のレーザ素子が発振するレーザ光を合波したもののスペクトル幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光照射装置。
前記レーザ光源ユニットから出射されるレーザ光は、前記複数のレーザ素子が発振するレーザ光を合波したものであり、
前記複数のレーザ素子が発振するレーザ光を合波したもののスペクトル幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光照射装置。
【請求項5】
前記レーザ素子が発振するレーザ光のスペクトル幅の各々が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のレーザ光照射装置。
【請求項6】
前記複数のレーザ素子の中心発振波長が相互に異なり、前記複数のレーザ素子の中心発振波長における差の最大値が５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４または５に記載のレーザ光照射装置。
【請求項7】
前記モード外乱手段が前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに側圧と曲げと振動とを同時に与える領域の長さが１ｍ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ光照射装置。
【請求項8】
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数は０．１５以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ光照射装置。
【請求項9】
前記対物光学系の開口数が前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数よりも小さいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ光照射装置に関する。【背景技術】
【0002】
従来、高強度のレーザ光を対象物に照射するレーザ光照明装置が多く使用されている。近年では、工業分野に限らず医療分野でも、レーザメスやレーザアブレーションによってがん細胞を破壊するなどの用途にてレーザ光照射装置が用いられ始めている。このようなレーザ光照射装置の応用は今後も発展し、加工や治療などに留まらず新しい応用を生み出すと考えられている。【0003】
一般的に、コヒーレント光であるレーザ光のビームを作製すると、光源の発光特性や導光路（例えば光ファイバなど）の特性を反映して、レーザ光の強度分布はガウシアン強度分布で近似される形状となることが多い。この強度分布を有するビームは一般にガウシアンビームと呼ばれている。【0004】
ところで、例えばがん細胞を破壊する用途などでは、照射領域にて均等な強度分布を有するレーザ光が求められている。がん細胞を破壊しつつも正常な細胞を傷つけないようにするためである。したがって、このような用途では、強度分布が中心にピークを持つガウシアンビームは好ましくない。そこで、平滑な強度分布を持つレーザ光のビームを作製するための技術が各種知られている（例えば特許文献１参照）。【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００５−０４６２４７号公報
【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、強度分布を平滑化したレーザ光のビームを実現するには特殊な光学レンズ系の組み合わせや、特殊なモードの励振装置とレンズ系や、空間光変調装置などが必要となる。結果、レーザ光照射装置の出射部が大型化するなどの問題が発生することがあった。【0007】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、装置の大型化を招来することなく、レーザ光の強度分布の平滑性を向上させたレーザ光照射装置を提供することにある。【課題を解決するための手段】
【0008】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザ光照射装置は、レーザ光を出射するレーザ光源ユニットと、前記レーザ光源ユニットから出射されたレーザ光をマルチモードで伝搬するステップインデックス型マルチモード光ファイバと、前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに側圧と曲げと振動とを同時に与えるモード外乱手段と、前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバから出射されるレーザ光のビーム径を拡大して対象物に照射する対物光学系とを備えることを特徴とする。【0009】
また、本発明に係るレーザ光照射装置は、上記発明において、前記レーザ光源ユニットは、一つのレーザ素子を備え、前記レーザ素子が発振するレーザ光のスペクトル幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする。【0010】
また、本発明に係るレーザ光照射装置は、上記発明において、前記レーザ光源ユニットは、複数のレーザ素子を備え、前記レーザ光源ユニットから出射されるレーザ光は、前記複数のレーザ素子が発振するレーザ光を合波したものであり、前記複数のレーザ素子が発振するレーザ光を合波したもののスペクトル幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする。【0011】
また、本発明に係るレーザ光照射装置は、上記発明において、前記レーザ素子が発振するレーザ光のスペクトル幅の各々が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする。【0012】
また、本発明に係るレーザ光照射装置は、上記発明において、前記複数のレーザ素子の中心発振波長が相互に異なり、前記複数のレーザ素子の中心発振波長における差の最大値が５０ｎｍ以下であることを特徴とする。【0013】
また、本発明に係るレーザ光照射装置は、上記発明において、前記モード外乱手段が前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバに側圧と曲げと振動とを同時に与える領域の長さが１ｍ以上であることを特徴とする。【0014】
また、本発明に係るレーザ光照射装置は、上記発明において、前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数は０．１５以上であることを特徴とする。【0015】
また、本発明に係るレーザ光照射装置は、上記発明において、前記対物光学系の開口数が前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数よりも小さいことを特徴とする。【発明の効果】
【0016】
本発明に係るレーザ光照射装置は、装置の大型化を招来することなく、レーザ光の強度分布の平滑性を向上させるという効果を奏する。【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下に、本発明に係るレーザ光照射装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。【0019】
（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の概略構成を示す図である。図１に示されるように、レーザ光照射装置１０００は、レーザ光源ユニット１００と、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００と、モード外乱手段３００と、対物光学系４００とを備えている。
【0020】
レーザ光源ユニット１００は、レーザ光を出射するためのユニットであり、少なくとも１つのレーザ素子、好ましくは複数のレーザ素子を備えている。レーザ光源ユニット１００が出射するレーザ光のスペクトル幅は、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。このスペクトル幅の下限を下回ると、レーザ光の強度分布を平滑化することが困難となり、一方、このスペクトル幅の上限を上回ると、レーザ光照射装置１０００としての所望波長から外れてしまう場合があるからである。レーザ光照射装置１０００を例えばがん細胞を破壊する用途に使う場合などは、水の吸収波長である１４８０ｎｍ近傍の波長のレーザ光を用いる必要があり、上記スペクトル幅の上限を上回ると当該用途から外れてしまう。【0021】
なお、レーザ光源ユニット１００が出射するレーザ光のスペクトル幅とは、レーザ光の最大出力強度から２０ｄＢ低下した強度となる波長範囲である。また、レーザ光源ユニット１００が一つのレーザ素子を備えている場合、当該１つのレーザ素子が発振するレーザ光のスペクトル幅が上記範囲となることを意味し、複数のレーザ素子を備えている場合、合波した全体のスペクトル幅（すなわち、レーザ光の最大出力強度から２０ｄＢ低下した強度となる波長が複数ある場合は、その最大値と最小値との間の幅）が上記範囲となることを意味している。【0022】
レーザ光源ユニット１００が備えるレーザ素子が一つの場合、例えばファブリペロー型のレーザダイオードを用いることが考えられる。ファブリペロー型のレーザダイオードは、複数の共振モードを有しているので、これら複数の共振モードのレーザ光をそのまま（外部共振器等でモードを制限せずに）レーザ光源ユニット１００の出力として用いることができる。【0023】
図２は、ファブリペロー型のレーザダイオードが発振するレーザ光のスペクトルの例を示すグラフである。図２に示される例では、ファブリペロー型のレーザダイオードが発振するレーザ光のスペクトル幅が１３ｎｍであり、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下となっている。つまり、図２に示されるようなスペクトルを有するファブリペロー型のレーザダイオードは、レーザ光源ユニット１００が備えるレーザ素子として好適なものとなっている。【0024】
レーザ光源ユニット１００が備えるレーザ素子が複数の場合、ファブリペロー型のレーザダイオードを用いることが好ましいが、分布帰還型のレーザダイオードや外部共振器を用いたレーザダイオードなどを用いることも可能である。なお、たとえ各レーザ素子から出射されるレーザ光のスペクトル幅が狭いものであっても、合波された全体のスペクトル幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下となっていればよい。【0025】
しかしながら、複数のレーザ素子のうち１つであっても、そのレーザ素子から出射されるレーザ光のスペクトル幅が極端に狭い場合は、レーザ光の強度分布を平滑化することが困難となる。具体的には、レーザ光源ユニット１００が備える各レーザ素子が発振するレーザ光のスペクトル幅が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、レーザ素子が発振するレーザ光のスペクトル幅とは、レーザ光の最大出力強度から２０ｄＢ低下した強度となる波長範囲である。【0026】
また、レーザ光源ユニット１００が備えるレーザ素子が複数の場合、同一のレーザ素子を複数備えるのではなく、各レーザ素子の中心発振波長が相互に異なるように構成することが好ましい。ただし、中心発振波長があまりに離れてしまっていると、レーザ光照射装置１０００としての所望波長から外れてしまうので、各中心発振波長の差の最大値は、５０ｎｍ以下となっていることが好ましい。【0027】
図３は、ファイバブラッググレーティングを外部共振器として備えるレーザダイオードが発振するレーザ光のスペクトルの例を示すグラフである。図３に示される例では、レーザ光のスペクトル幅が３ｎｍより狭くなっている。つまり、図３に示されるようにスペクトルを有するファブリペロー型のレーザダイオードは、レーザ光源ユニット１００が備えるレーザ素子として適さない。【0028】
図４は、複数のレーザ素子が発振するレーザ光を合波した場合のスペクトルの例を示すグラフである。なお、図４に示されるグラフは、２つのファブリペロー型のレーザダイオードの発振を合波した例を示している。図４に示される例では、合波されたレーザ光のスペクトル幅が７０ｎｍであり、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下となっている。また、各レーザ素子が発振するレーザ光のスペクトル幅も３ｎｍ以上５０ｎｍ以下となっている。つまり、図４に示されるようなスペクトルを有する２つのレーザ素子は、レーザ光源ユニット１００が備えるレーザ素子として好適なものとなっている。【0029】
ここで、図１の参照にもどり、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００およびモード外乱手段３００の説明を行う。【0030】
図１に示されるように、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００は、レーザ光源ユニット１００から出射されたレーザ光を対物光学系４００までマルチモードで伝搬する光ファイバである。ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００とは、複数のモードでレーザ光を伝搬することを許容する光ファイバであって、特にコアおよびクラッドが形成する屈折率分布がステップ形状となっているものをいう。【0031】
ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の開口数は０．１５以上であることが好ましい。後に詳述するように、ステップインデックス型マルチモード光ファイバのＮＡが大きい方が、平滑性Ｆは向上することが実験によって確かめられたからである。【0032】
モード外乱手段３００は、レーザ光源ユニット１００と対物光学系４００との間に設けられ、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に側圧と曲げと振動とを同時に与える手段である。モード外乱手段３００は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に側圧と曲げと振動とを同時に与えることにより、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００を伝搬しているレーザ光のモードに外乱を与える。【0033】
ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００は、複数のモードでレーザ光を伝搬することを許容しているが、多くの場合、許容されるすべてのモードでレーザ光が伝搬されているわけではない。モード外乱手段３００は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に外乱を与えることによって、レーザ光とモードとの結合状態を変化させる作用を有する。結果、レーザ光が伝搬するモードが変更するいわゆるモードシフトが発生し、実現されていなかったモードでの伝搬が実現することとなる。なお、このことは、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００を伝搬しているレーザ光の空間的コヒーレンシーが低下していることを意味する。【0034】
対物光学系４００は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００から出射されるレーザ光のビーム径を拡大して対象物に照射するための光学系である。ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の端面と対象物とは、光学的共役関係に配置されており、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の端面におけるレーザ光の強度分布がほぼ相似形に対象物に投影される。【0035】
上述のように、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００を伝搬するレーザ光は、モード外乱手段３００によって数多くのモードで伝搬されて端面に到達するので、端面における強度分布の平滑性が向上している。また、空間的コヒーレンシーが低下しているので、ランダムな干渉現象であるいわゆるスペックルノイズも低減されている。よって、対象物に照射された状況でも、平滑性が向上される。【0036】
以下に、上記説明した第１実施形態の各構成を具体化した実施形態について説明する。以下では、具体化された各構成の部分のみの説明を行うが、説明を省略した部分は、第１実施形態と同一の構成であるものとする。また、例えばレーザ光源ユニット１００の具体例とモード外乱手段３００の具体例とを組み合わせるように、以下で説明する異なる実施形態の構成を組み合わせて新たな実施形態を構成することも可能である。【0037】
（第２実施形態）図５〜図７は、第２実施形態に係るレーザ光照射装置におけるレーザ光源ユニットの概略構成を示す図である。図５〜図７に示されるレーザ光源ユニット１１０は、第１実施形態におけるレーザ光源ユニット１００の具体例となっている。図５は、レーザ光源ユニット１１０の平面構成図であり、図６は、レーザ光源ユニット１１０の垂直面視図であり、図７は、レーザ光の合波部分の拡大図である。
【0038】
図５および図６に示されるように、レーザ光源ユニット１１０は、第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃを備え、これら第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃが発振するレーザ光が直接合波されてステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に導入される構成である。【0039】
第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃは、ファブリペロー型のレーザダイオードとすることが好ましいが、分布帰還型のレーザダイオードや外部共振器を用いたレーザダイオードなどを用いてもよい。第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃは、中心発振波長が相互に異なり、各中心発振波長の差の最大値は、５０ｎｍ以下となっている。また、第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃが発振する各レーザ光のスペクトル幅は、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、各レーザ光を合波した際のスペクトル幅は、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。【0040】
図５に示されるように、第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃは、互いに平行に配置され、同一方向にレーザ光を出射する。第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃから出射したレーザ光は、それぞれ紙面垂直方向の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃと紙面水平方法の屈折力を有する第２のシリンドリカルレンズ１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃとを透過し、ミラー１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃにて反射されることによって、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００方向に偏向される。【0041】
第１のシリンドリカルレンズ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃおよび第２のシリンドリカルレンズ１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃは、第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃから出射するレーザ光を平行光にするためのものである。第１のシリンドリカルレンズ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃは、当該レーザ光に対して紙面に垂直方向に屈折力を有するように配置されている。第２のシリンドリカルレンズ１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃは、当該レーザ光に対して紙面に平行方向に屈折力を有するように配置されている。【0042】
図６に示されるように、第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃは、段差を付けて配置されている。これにより、第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃから出射した各レーザ光がミラー１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃにて反射される際には、図５における紙面垂直方向で互いに高さが異なり、かつ互いに平行なレーザ光になる。また、各ミラー１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃにて反射されたレーザ光は、集光レンズ１１５に入射する際には、互いに高さが異なる平行なレーザ光となっている。【0043】
図７は、第１のレーザ素子１１１ａ、第２のレーザ素子１１１ｂおよび第３のレーザ素子１１１ｃから出射した各レーザ光が合波されてステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に導入される様子を示している。図７に示されるように、集光レンズ１１５は正の屈折力を有するレンズであり、後側焦点位置がステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の端面にほぼ一致するように配置されている。【0044】
一方、第１のレーザ素子１１１ａから出射したレーザ光Ｌａと、第２のレーザ素子１１１ｂから出射したレーザ光Ｌｂと、第３のレーザ素子１１１ｃから出射したレーザ光Ｌｃとは、互いに段差を有する平行なレーザ光となっている。したがって、集光レンズ１１５を透過したレーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の端面近傍にて交差することとなる。【0045】
さらに、各レーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の端面に角度θ１以下の入射角度で入射している。ここで、角度θ１は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に固有の定数である開口数（ＮＡ１）で定まる角度であり、ＮＡ１＝ｓｉｎθ１の関係を有する。入射角度がθ１以下である各レーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に結合されることとなる。【0046】
以上の構成のレーザ光源ユニット１１０は、レーザ光源ユニット１１０から出射されたレーザ光をマルチモードで伝搬するステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００と、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に側圧と曲げと振動とを同時に与えるモード外乱手段３００と、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００から出射されるレーザ光のビーム径を拡大して対象物に照射する対物光学系４００と共に用いることにより、第２実施形態に係るレーザ光照射装置を構成する。【0047】
（第３実施形態）図８は、第３実施形態に係るレーザ光照射装置におけるレーザ光源ユニットの概略構成を示す図である。図８に示されるレーザ光源ユニット１２０は、第１実施形態におけるレーザ光源ユニット１００の具体例となっている。
【0048】
図８に示されるように、レーザ光源ユニット１２０は、第１のレーザ素子１２１ａ、第２のレーザ素子１２１ｂおよび第３のレーザ素子１２１ｃを備え、これら第１のレーザ素子１２１ａ、第２のレーザ素子１２１ｂおよび第３のレーザ素子１２１ｃが発振するレーザ光をレーザ光源ユニット１２０内で合波し、いわゆるピグテールの構成でステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に接続する構成である。【0049】
第１のレーザ素子１２１ａ、第２のレーザ素子１２１ｂおよび第３のレーザ素子１２１ｃは、ファブリペロー型のレーザダイオードとすることが好ましいが、分布帰還型のレーザダイオードや外部共振器を用いたレーザダイオードなどを用いてもよい。第１のレーザ素子１２１ａ、第２のレーザ素子１２１ｂおよび第３のレーザ素子１２１ｃは、中心発振波長が相互に異なり、各中心発振波長の差の最大値は、５０ｎｍ以下となっている。また、第１のレーザ素子１２１ａ、第２のレーザ素子１２１ｂおよび第３のレーザ素子１２１ｃが発振する各レーザ光のスペクトル幅は、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、各レーザ光を合波した際のスペクトル幅は、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。【0050】
第１のレーザ素子１２１ａ、第２のレーザ素子１２１ｂおよび第３のレーザ素子１２１ｃが発振したレーザ光は、それぞれ光ファイバ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃを伝搬しながら、光合波器１２３へ導入される。光合波器１２３は、例えば波長分割多重方式の光カプラを用いる。光合波器１２３によって合波されたレーザ光は光ファイバ１２４を伝搬しながら、レーザ光源ユニット１２０の外部へ導出され、コネクタや融着接続部により構成される光接続部１２５を介してステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００へ接続される。【0051】
なお、光ファイバ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２４は、第１のレーザ素子１２１ａ、第２のレーザ素子１２１ｂおよび第３のレーザ素子１２１ｃがシングルモードレーザ素子である場合は、シングルモードの光ファイバとすることができるが、マルチモードレーザ素子である場合は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に多くのモードで導入することができるという観点では、マルチモードの光ファイバを用いることが好ましい。また、光合波器１２３は、第１のレーザ素子１２１ａ、第２のレーザ素子１２１ｂおよび第３のレーザ素子１２１ｃの発振波長の相違度合に基づいて、ファイバ溶融型やフィルタ型、または導波路型のカプラを選択して用いることができる。さらに、合波するレーザ光が２つの場合は、光合波器１２３の代わりに偏波合成器を利用する構成としてもよい。さらには、合波するレーザ光がさらに多い場合は、偏波合成器と波長分割多重式の光合波器とを併用する構成としてもよい。【0052】
以上の構成のレーザ光源ユニット１２０は、レーザ光源ユニット１２０から出射されたレーザ光をマルチモードで伝搬するステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００と、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に側圧と曲げと振動とを同時に与えるモード外乱手段３００と、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００から出射されるレーザ光のビーム径を拡大して対象物に照射する対物光学系４００と共に用いることにより、第３実施形態に係るレーザ光照射装置を構成する。【0053】
（第４実施形態）図９および図１０は、第４実施形態に係るレーザ光照射装置におけるモード外乱手段の概略構成を示す図である。図９および図１０に示されるモード外乱手段３１０は、第１実施形態におけるモード外乱手段３００の具体例となっている。図９は、モード外乱手段３１０の部分透過図であり、図１０は、モード外乱手段３１０の側面図である。
【0054】
図９および図１０に示されるように、モード外乱手段３１０は、巻き束状に配置したステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００を２枚の挟持板３１１ａ，３１１ｂで挟持した構成となっている。【0055】
２枚の挟持板３１１ａ，３１１ｂには、ボルトおよびナットで構成される加圧手段３１２が設けられ、２枚の挟持板３１１ａ，３１１ｂに挟持されたステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に側圧が加えられるように構成されている。図９に示されるように、巻き束状に配置したステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００は、多数の交点を有する状態で配置されているので、２枚の挟持板３１１ａ，３１１ｂから印加された側圧が局所的に変化の付けられたものとなり、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００を伝搬するレーザ光のモードに対してより効率よく外乱を与えることができるように構成されている。【0056】
なお、加圧手段３１２は、図に示されるようなボルトおよびナットで構成することもできるが、上側の挟持板３１１ａがある程度の重量を有しているならば、挟持板３１１ａの自重をもって加圧手段３１２とすることができる。また、別途の重り等を上側の挟持板３１１ａの上に配置し、当該重りの重量をもって加圧手段３１２とすることもできる。【0057】
また、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００は、巻き束状に配置されているので、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に曲げが印加されている。ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に対する曲げは、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００を伝搬するレーザ光に対する外乱となっている。【0058】
さらに、挟持板３１１ａ，３１１ｂには、振動手段３１３が設けられ、２枚の挟持板３１１ａ，３１１ｂに挟持されたステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に振動が加えられるように構成されている。振動手段３１３は、例えば２００Ｈｚ程度の振動を発生させる振動モータである。ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に対する振動は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００を伝搬するレーザ光に対する外乱となっている。【0059】
巻き束状に配置されたステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の長さは１ｍ以上であることが好ましい。モード外乱手段３１０がステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に側圧と曲げと振動とを同時に与える領域の長さを１ｍ以上とし、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００を伝搬するレーザ光のモードに十分な外乱を与えるためである。例えば、半径３ｃｍ程度の大きさでステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００を巻き束にした場合、６巻程度の巻き束である。【0060】
以上の構成のモード外乱手段３１０は、レーザ光を出射するレーザ光源ユニット１００と、レーザ光源ユニット１００から出射されたレーザ光をマルチモードで伝搬するステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００と、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００から出射されるレーザ光のビーム径を拡大して対象物に照射する対物光学系４００と共に用いることにより、第４実施形態に係るレーザ光照射装置を構成する。【0061】
（第５実施形態）図１１は、第５実施形態に係るレーザ光照射装置におけるモード外乱手段の概略構成を示す図である。図１１に示されるモード外乱手段３２０は、第１実施形態におけるモード外乱手段３００の具体例となっている。
【0062】
図１１に示されるように、モード外乱手段３２０は、ボビン３２１ａ，３２１ｂと張力手段３２２ａ，３２２ｂと振動手段３２３とを備えている。図１１に示されるように、モード外乱手段３２０は、いわゆる光ファイバ型偏波コントローラを流用した構成となっている。振動手段３２３はたとえば電動モータとギヤとで構成されたアクチュエータである。【0063】
光ファイバ型偏波コントローラとは、光ファイバを曲げる際の複屈折を利用して偏波を制御する偏波コントローラである。モード外乱手段３２０は、この光ファイバ型偏波コントローラを流用し、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に側圧と曲げと振動とを同時に与える。【0064】
図１１に示されるように、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００は、張力手段３２２ａ，３２２ｂによって一定の張力を与えられながらボビン３２１ａ，３２１ｂに巻きつけられている。これにより、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００は、ボビン３２１ａ，３２１ｂから側圧を受けることになる。さらに、ボビン３２１ａ，３２１ｂはそれぞれ軸３２１ａａ，３２１ｂａの回りに回転できるように構成されており、ボビン３２１ａ，３２１ｂがそれぞれ軸３２１ａａ，３２１ｂａの回りに回転することにより、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００は捻られて側圧および曲げを受けることになる。【0065】
また、図１１に示されるように、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００同士が交点を有するよう、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００がボビン３２１ａ，３２１ｂに巻きつけられている。これにより、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００同士の交点で、局所的に強い側圧および曲げが印加されている。【0066】
さらに、図１１に示されるように、振動手段３２３によって、ボビン３２１ａ，３２１ｂはそれぞれ軸３２１ａａ，３２１ｂａの回りに回転され、振動または搖動が印加されている。これにより、ボビン３２１ａ，３２１ｂに巻きつけられたステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００も振動または搖動が印加されている。【0067】
以上の構成のモード外乱手段３２０は、レーザ光を出射するレーザ光源ユニット１００と、レーザ光源ユニット１００から出射されたレーザ光をマルチモードで伝搬するステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００と、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００から出射されるレーザ光のビーム径を拡大して対象物に照射する対物光学系４００と共に用いることにより、第５実施形態に係るレーザ光照射装置を構成する。【0068】
（第６実施形態）図１２は、第６実施形態に係るレーザ光照射装置における対物光学系の概略構成を示す図である。図１２に示される対物光学系４１０は、第１実施形態における対物光学系４００の具体例となっている。
【0069】
図１２に示されるように、対物光学系４１０は、対物レンズ４１１を備えている。対物レンズ４１１は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の端面におけるレーザ光の強度分布をほぼ相似形に拡大し、対象物に投影するためのレンズである。すなわち、対物レンズ４１１の前側焦点位置がステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の端面に一致し、かつ、対物レンズ４１１の後側焦点位置が対象物に一致するように配置されている。【0070】
ここで、対物レンズ４１１の開口数（ＮＡ２）は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の開口数（ＮＡ１）よりも小さい。図１２の角度θ１とθ２との関係で表現すれば、角度θ２は角度θ１よりも小さい。先述のように、ＮＡ１＝ｓｉｎθ１，ＮＡ２＝ｓｉｎθ２の関係が成立しているからである。【0071】
上記開口数の関係は、いわゆるケラレが発生してしまう状態である。すなわち、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００の端面から出射されるレーザ光のうちビーム外周の一部は、対物レンズ４１１を透過することができず、対象物まで到達することができない。一般的に、ケラレが発生することは好ましくないとされているが、対物光学系４１０は、意図的にケラレを発生させることにより、対象物に投影されるレーザ光の強度分布をより矩形に近い形状に整形している。【0072】
以上の構成の対物光学系４１０は、レーザ光を出射するレーザ光源ユニット１００と、レーザ光源ユニット１００から出射されたレーザ光をマルチモードで伝搬するステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００と、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ２００に側圧と曲げと振動とを同時に与えるモード外乱手段３００と共に用いることにより、第６実施形態に係るレーザ光照射装置を構成する。【0073】
（効果の検証例）以下、上記説明した本発明の実施形態に係るレーザ光照射装置における効果の検証例について説明する。まず、効果の測定に用いる平滑性の定義を行う。
【0075】
以下の効果の検証で用いられる平滑性Ｆは、平均パワーＰと平均パワーに対する変動幅δＰとの比で表される。すなわち、平滑性Ｆは、Ｆ＝δＰ／Ｐの関係式で定義される。【0076】
図１３に示されるように、平均パワーＰとは、レーザ光の強度分布の全幅Ｗの０．８倍の範囲におけるレーザ光の強度の平均値である。ここで、全幅Ｗとは、レーザ光の最大出力強度から２０ｄＢ低下した強度となる波長範囲である。なお、図１３に示されるグラフの縦軸は、リニアスケールの任意単位（ａ．ｕ．）であり、全幅Ｗは、縦軸に関して最大強度の１％に低下した位置の波長範囲に対応している。また、平均パワーに対する変動幅δＰとは、レーザ光の強度分布の全幅Ｗの０．８倍の範囲におけるレーザ光の強度のピーク・トゥー・ピークの差である。【0077】
図１３から解るように、レーザ光の強度分布における凹凸が大きくなる程、平滑性Ｆが大きくなる。また、レーザ光の強度分布がガウシアン強度分布に近づいても、平滑性Ｆが大きくなる。したがって、上記定義の平滑性Ｆが小さい程、本発明の効果が大きいと判断できる。【0078】
（検証例１）検証例１は、図３に示したようにスペクトル幅が狭いレーザ光を用いた場合の例である。なお、モード外乱手段では、振動と側圧と曲げとを同時に与えている。また、使用したステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数は０．１５であり、対物光学系の開口数は０．１５である。
【0079】
図１４〜図１６は、検証例１における平滑性を示す図である。図１４は、検証例１におけるレーザ光の強度分布を示す３Ｄグラフであり、図１５は、検証例１におけるレーザ光の強度分布を示す平面画像であり、図１６は、図１５におけるＸ断面およびＹ断面の強度分布を示すグラフである。【0080】
図１４〜図１６を参照すると解るように、検証例１におけるレーザ光の強度分布は、スペックルの発生が観察される。また、検証例１におけるレーザ光の強度分布の平滑性Ｆを計算すると、Ｆ＝約２０％であった。【0081】
（検証例２）検証例２は、図３に示したようにスペクトル幅が狭いレーザ光を用いた場合の例である。なお、モード外乱手段では、振動と側圧と曲げとを同時に与えている。また、使用したステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数は０．２２であり、対物光学系の開口数は０．２２である。
【0082】
図１７〜図１９は、検証例２における平滑性を示す図である。図１７は、検証例２におけるレーザ光の強度分布を示す３Ｄグラフであり、図１８は、検証例２におけるレーザ光の強度分布を示す平面画像であり、図１９は、図１８におけるＸ断面およびＹ断面の強度分布を示すグラフである。【0083】
図１７〜図１９を参照すると解るように、検証例２におけるレーザ光の強度分布は、スペックルは少ないが、ガウシアン強度分布に近い形状である。また、検証例２におけるレーザ光の強度分布の平滑性Ｆを計算すると、Ｆ＝約１５％であった。【0084】
ここで、検証例１と検証例２とを比較すると、ステップインデックス型マルチモード光ファイバのＮＡが大きい方が、平滑性Ｆは向上することが解る。【0085】
（検証例３）検証例３は、図４に示したようにスペクトル幅が広い複数のレーザ光を合波したものを用いた場合の例である。なお、モード外乱手段では、振動のみを与えている。また、使用したステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数は０．２２であり、対物光学系の開口数は０．２２である。
【0086】
図２０〜図２２は、検証例３における平滑性を示す図である。図２０は、検証例３におけるレーザ光の強度分布を示す３Ｄグラフであり、図２１は、検証例３におけるレーザ光の強度分布を示す平面画像であり、図２２は、図２１におけるＸ断面およびＹ断面の強度分布を示すグラフである。【0087】
図２０〜図２２を参照すると解るように、検証例３におけるレーザ光の強度分布は、スペックルの発生が観察される。また、検証例３におけるレーザ光の強度分布の平滑性Ｆを計算すると、Ｆ＝約１５％であった。【0088】
（検証例４）検証例４は、図４に示したようにスペクトル幅が広い複数のレーザ光を合波したものを用いた場合の例である。なお、モード外乱手段では、振動と曲げのみを与えている。また、使用したステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数は０．２２であり、対物光学系の開口数は０．２２である。
【0089】
図２３〜図２５は、検証例４における平滑性を示す図である。図２３は、検証例４におけるレーザ光の強度分布を示す３Ｄグラフであり、図２４は、検証例４におけるレーザ光の強度分布を示す平面画像であり、図２５は、図２４におけるＸ断面およびＹ断面の強度分布を示すグラフである。【0090】
図２３〜図２５を参照すると解るように、検証例４におけるレーザ光の強度分布は、スペックルが十分に除去されていない。また、検証例４におけるレーザ光の強度分布の平滑性Ｆを計算すると、Ｆ＝約１２％であった。【0091】
ここで、検証例３と検証例４とを比較すると、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに振動のみならず曲げも印加する方が、平滑性Ｆは向上することが解る。【0092】
（検証例５）検証例５は、図４に示したようにスペクトル幅が広い複数のレーザ光を合波したものを用いた場合の例である。なお、モード外乱手段では、振動と曲げと側圧とを同時に与えている。また、使用したステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数は０．２２であり、対物光学系の開口数は０．２２である。
【0093】
図２６〜図２８は、検証例５における平滑性を示す図である。図２６は、検証例５におけるレーザ光の強度分布を示す３Ｄグラフであり、図２７は、検証例５におけるレーザ光の強度分布を示す平面画像であり、図２８は、図２７におけるＸ断面およびＹ断面の強度分布を示すグラフである。【0094】
図２６〜図２８を参照すると解るように、検証例５におけるレーザ光の強度分布は、スペックルが十分に除去されており、平滑性が良い。また、検証例５におけるレーザ光の強度分布の平滑性Ｆを計算すると、Ｆ＝約１０％であった。【0095】
ここで、検証例４と検証例５とを比較すると、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに振動および曲げのみならず側圧も印加する方が、平滑性Ｆは向上することが解る。【0096】
（検証例６）検証例６は、図４に示したようにスペクトル幅が広い複数のレーザ光を合波したものを用いた場合の例である。なお、モード外乱手段では、振動と曲げと側圧とを同時に与えている。また、使用したステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数は０．２２であり、対物光学系の開口数は０．１８である。
【0097】
図２９〜図３１は、検証例６における平滑性を示す図である。図２９は、検証例６におけるレーザ光の強度分布を示す３Ｄグラフであり、図３０は、検証例６におけるレーザ光の強度分布を示す平面画像であり、図３１は、図３０におけるＸ断面およびＹ断面の強度分布を示すグラフである。【0098】
図２９〜図３１を参照すると解るように、検証例６におけるレーザ光の強度分布は、スペックルが十分に除去されており、かつ、強度分布の両端部における光強度が低下しているので、切れの良い矩形形状となっている。また、検証例６におけるレーザ光の強度分布の平滑性Ｆを計算すると、Ｆ＝約８％であった。【0099】
ここで、検証例５と検証例６とを比較すると、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数よりも対物光学系の開口数を小さくする方が、平滑性Ｆは向上することが解る。【0100】
（検証例７）検証例７は、図４に示したようにスペクトル幅が広い複数のレーザ光を合波したものを用いた場合の例である。なお、モード外乱手段では、振動と曲げと側圧とを同時に与えている。また、使用したステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数は０．２２であり、対物光学系の開口数は０．２４である。
【0101】
図３２〜図３４は、検証例７における平滑性を示す図である。図３２は、検証例７におけるレーザ光の強度分布を示す３Ｄグラフであり、図３３は、検証例７におけるレーザ光の強度分布を示す平面画像であり、図３４は、図３３におけるＸ断面およびＹ断面の強度分布を示すグラフである。【0102】
図３２〜図３４を参照すると解るように、検証例７におけるレーザ光の強度分布は、強度分布の両端部における光強度が増加し、全体としてガウシアン強度分布に近い形状となっている。さらに、本来とは異なるレーザ光まで結合されてしまい、平滑性も犠牲になっている。また、検証例７におけるレーザ光の強度分布の平滑性Ｆを計算すると、Ｆ＝約１２％であった。【0103】
ここで、検証例６と検証例７とを比較すると、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数よりも対物光学系の開口数を小さくする方が、平滑性Ｆは向上することが解る。【0104】
（検証例のまとめ）検証例３〜５を比較すると解るように、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに側圧と曲げと振動とを同時に与えるモード外乱手段を備えるレーザ光照射装置は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバに振動のみを与えるモード外乱手段、またはステップインデックス型マルチモード光ファイバに振動および曲げのみを与えるモード外乱手段を備えるレーザ光照射装置よりも、レーザ光の強度分布の平滑性を向上させる効果が大きい。
【0105】
また、検証例２と検証例５とを比較すると解るように、レーザ光源ユニットから出射されるレーザ光のスペクトル幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるレーザ光照射装置は、レーザ光源ユニットから出射されるレーザ光のスペクトル幅が３ｎｍより小さいレーザ光照射装置よりも、レーザ光の強度分布の平滑性を向上させる効果が大きい。【0106】
さらに、検証例１と検証例２とを比較すると解るように、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数が０．１５以上であるレーザ光照射装置は、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数が０．１５より小さいレーザ光照射装置よりも、レーザ光の強度分布の平滑性を向上させる効果が大きい。【0107】
さらに、検証例５〜７を比較すると解るように、対物光学系の開口数がステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数よりも小さいレーザ光照射装置は、対物光学系の開口数がステップインデックス型マルチモード光ファイバの開口数よりも小さいレーザ光照射装置よりも平滑性を向上させる効果が大きい。【産業上の利用可能性】
【0108】
以上のように、本発明に係るレーザ光照射装置は、高強度のレーザ光を対象物に照射する産業分野に有用である。【符号の説明】
【0109】
１０００ レーザ光照射装置１００，１１０，１２０ レーザ光源ユニット
１１１ａ，１２１ａ 第１のレーザ素子
１１１ｂ，１２１ｂ 第２のレーザ素子
１１１ｃ，１２１ｃ 第３のレーザ素子
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ 第１のシリンドリカルレンズ
１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ 第２のシリンドリカルレンズ
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ ミラー
１１５ 集光レンズ
１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２４ 光ファイバ
１２３ 光合波器
１２５ 光接続部
２００ ステップインデックス型マルチモード光ファイバ
３００，３１０，３２０ モード外乱手段
３１１ａ，３１１ｂ 挟持板
３１２ 加圧手段
３１３，３２３ 振動手段
３２１ａ，３２１ｂ ボビン
３２２ａ，３２２ｂ 張力手段
４００，４１０ 対物光学系
４１１ 対物レンズ