JP7523786B2 - Optical thin film filters and beam shapers - Google Patents
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Description
本発明は、光線の断面強度分布を変更可能な光学薄膜フィルター及びビームシェーパーに関する。 The present invention relates to an optical thin film filter and a beam shaper that can change the cross-sectional intensity distribution of a light beam.
レーザーから発振されるビームの断面強度分布を変更可能なビームシェーパーとして、特許文献1(特公平7-102470号公報)に記載されたフィルターが知られている。
このフィルターは、図2に記載されるように、ビームの断面強度分布を、ガウス型分布A(ガウシアン型)から、平坦な強度分布C(フラットトップ型)に変更するものである。
レーザー加工では、ビームの断面強度分布が、発振直後の一般的な態様であるガウシアン型からフラットトップ型に変更されると、厚板の切断がより円滑に行われることとなる。即ち、ガウシアン型では、切断途中の厚板の加工部分の断面(溶け込み形状)がすり鉢状になり、当該加工部分の所定以上の深さが確保され難く、厚板の切断が途中で進まなくなる。これに対し、フラットトップ型では、溶け込み形状が柱状になり、切断途中の加工部分の深さが確保され、厚板の切断が完了する。
このフィルターは、[0023]に記載されるように、透光板に膜厚勾配を持たせたり、透明材料に同波長域に吸収スペクトルを有する密度勾配を持たせて含有させた透光板としたり、透明板の表面にアルミニウム等の金属薄膜を真空蒸着等によって膜厚が変化するように形成したりすることにより構成される(アポダイジングフィルター)。
A filter described in Patent Document 1 (JP-B-7-102470) is known as a beam shaper capable of changing the cross-sectional intensity distribution of a beam emitted from a laser.
As shown in FIG. 2, this filter changes the cross-sectional intensity distribution of the beam from a Gaussian distribution A (Gaussian type) to a flat intensity distribution C (flat-top type).
In laser processing, when the cross-sectional intensity distribution of the beam is changed from a Gaussian type, which is a general form immediately after oscillation, to a flat-top type, the cutting of the thick plate is performed more smoothly. That is, with the Gaussian type, the cross section (penetration shape) of the processed part of the thick plate during cutting becomes a mortar shape, making it difficult to ensure a predetermined depth or more of the processed part, and the cutting of the thick plate does not proceed halfway. In contrast, with the flat-top type, the penetration shape becomes a columnar shape, ensuring the depth of the processed part during cutting, and completing the cutting of the thick plate.
As described in [0023], this filter is constructed by imparting a film thickness gradient to a light-transmitting plate, by making a light-transmitting plate containing a transparent material with a density gradient that has an absorption spectrum in the same wavelength range, or by forming a thin metal film such as aluminum on the surface of a transparent plate by vacuum deposition or the like so that the film thickness varies (apodizing filter).
又、同様なフィルターとして、特許文献2(特開2002-98930号公報)に記載された位相板が知られている。
この位相板は、[0022],図2,図3に記載されるように、同心円帯状の膜厚の低い部分を2領域有しており、ガウシアンビームをフラットトップビームに変更する。
As a similar filter, a phase plate is known, as described in Patent Document 2 (JP-A-2002-98930).
As shown in [0022], FIG. 2 and FIG. 3, this phase plate has two concentric band-shaped regions with low film thickness, and changes a Gaussian beam into a flat-top beam.
上述の各種のアポダイジングフィルターでは、膜厚又は密度の高低分布が付与されるため、製造時にその分布に応じ調整されたマスクを要する等、製造が複雑になる。
又、上述の各種のアポダイジングフィルターのうち、アルミニウム等の金属薄膜等を用いてビームを部分的に吸収することで断面強度分布を調整するものでは、ビームのエネルギーが吸収により蓄積して、比較的に短寿命となり、特にハイパワーレーザーに対して耐性が低く損傷し易いものとなる。
In the various apodizing filters described above, a distribution of thickness or density is imparted, and therefore, during the manufacturing process, a mask adjusted in accordance with the distribution is required, making the manufacturing process complicated.
Furthermore, among the various apodizing filters mentioned above, those that adjust the cross-sectional intensity distribution by partially absorbing the beam using a thin metal film such as aluminum accumulate the energy of the beam through absorption, resulting in a relatively short lifespan and a low resistance to high-power lasers, making them susceptible to damage.
そこで、本発明の主な目的は、製造を行い易い光学薄膜フィルター,ビームシェーパーを提供することである。
又、本発明の別の主な目的は、長寿命であり、ハイパワーレーザービームの断面強度分布変換が耐久性の高い状態で行える光学薄膜フィルター,ビームシェーパーを提供することである。
SUMMARY OF THE PRESENT EMBODIMENTS It is therefore a primary object of the present invention to provide an optical thin film filter and beam shaper which are easy to manufacture.
Another main object of the present invention is to provide an optical thin film filter or beam shaper which has a long life and is capable of converting the cross-sectional intensity distribution of a high-power laser beam in a highly durable state.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、光学薄膜フィルターにおいて、基材と、前記基材の表面に形成された光学多層膜と、を備えており、前記光学多層膜は、干渉により、自身に入射させる光線の波長において、前記光線の入射角度に応じた透過率である入射角度依存透過率を有するものであり、前記入射角度依存透過率により、前記光学多層膜に屈折させて入射させた前記光線の断面強度分布を変換するものであり、
前記光学多層膜に入射する前の前記光線の電場の楕円率と、前記光学多層膜により断面強度分布が変換された前記光線の電場の楕円率との変化量である楕円率変化量が、0.5以下であることを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、基材と、前記基材の表面に形成された光学多層膜と、を備えており、前記光学多層膜は、干渉により、自身に入射させる光線の波長において、前記光線の入射角度に応じた透過率である入射角度依存透過率を有するものであり、前記入射角度依存透過率により、前記光学多層膜に屈折させて入射させた前記光線の断面強度分布を変換するものであり、前記光学多層膜に入射する前の前記光線の断面強度分布は、ガウシアン型であり、前記光学多層膜により変換された前記光線の断面強度分布は、フラットトップ型であることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、基材と、前記基材の表面に形成された光学多層膜と、を備えており、前記光学多層膜は、干渉により、自身に入射させる光線の波長において、前記光線の入射角度に応じた透過率である入射角度依存透過率を有するものであり、前記入射角度依存透過率により、前記光学多層膜に屈折させて入射させた前記光線の断面強度分布を変換するものであり、前記光学多層膜に入射する前の前記光線の断面強度分布は、フラットトップ型であり、前記光学多層膜により変換された前記光線の断面強度分布は、ドーナツ型であることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides an optical thin film filter comprising a substrate and an optical multilayer film formed on a surface of the substrate, the optical multilayer film having an incident angle-dependent transmittance which is a transmittance according to the incident angle of a light beam at a wavelength of the light beam incident on the optical multilayer film due to interference, and converting a cross-sectional intensity distribution of the light beam refracted and incident on the optical multilayer film by the incident angle-dependent transmittance ,
The optical multilayer film is characterized in that the ellipticity change, which is the amount of change between the ellipticity of the electric field of the light ray before it is incident on the optical multilayer film and the ellipticity of the electric field of the light ray whose cross-sectional intensity distribution has been converted by the optical multilayer film, is 0.5 or less .
The invention described in
The invention described in
上記目的を達成するため、請求項4に記載の発明は、ビームシェーパーにおいて、上記の光学薄膜フィルターと、1以上のレンズと、を備えており、少なくとも1つの前記レンズは、前記光線を屈折して、前記光学薄膜フィルターに対し入射させることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、上記発明において、前記光学薄膜フィルター及び1以上の前記レンズのうちの少なくとも何れかが、ケースに入れられていることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、上記発明において、前記光学薄膜フィルターより前記光線の上流側に、ピンホールを有するピンホール板が設けられており、少なくとも1つの前記レンズは、前記ピンホールにおいて前記光線を合焦させることを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、上記発明において、複数の前記レンズの一部又は全部は、前記光学薄膜フィルターより前記光線の上流側に配置されており、前記光線を拡径するものであることを特徴とするものである。
請求項8に記載の発明は、上記発明において、前記光学薄膜フィルター及び1つの前記レンズに代えて、前記光学多層膜を成膜した1つのレンズが配置されていることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the invention described in
The invention described in
The invention described in
The invention described in
The invention described in
そこで、本発明の主な効果は、製造を行い易い光学薄膜フィルター,ビームシェーパーが提供されることである。
又、本発明の別の主な効果は、長寿命であり、ハイパワーレーザービームの断面強度分布変換が耐久性の高い状態で行える光学薄膜フィルター,ビームシェーパーが提供されることである。
Therefore, a major advantage of the present invention is that it provides an optical thin film filter and beam shaper that is easy to manufacture.
Another main effect of the present invention is to provide an optical thin film filter and beam shaper which has a long life and can perform cross-sectional intensity distribution conversion of a high-power laser beam in a highly durable state.
以下、本発明に係る実施の形態の例が、適宜図面に基づいて説明される。尚、本発明の形態は、これらの例に限定されない。 Below, examples of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. Note that the present invention is not limited to these examples.
[第1形態]
図1(A)は、本発明の第1形態に係るビームシェーパー1の模式図である。
ビームシェーパー1は、レンズ2と、光学薄膜フィルター4と、を有している。
ビームシェーパー1は、ビームBの断面強度分布を変換するものである。ビームBの断面強度分布は、ビームBの進行方向に垂直な断面におけるエネルギー分布である。尚、断面強度分布の変換の対象は、レーザー発振器からのビームB以外の光線であっても良い。
ビームシェーパー1は、レーザー加工装置における被加工物WOを載置するテーブルに隣接して配置されている。
ビームBは、レーザー加工装置に設けられたレーザー発振器から発振される。ビームBは、レーザー発振器から横方向に発出し、ミラーによりレンズ2の方向(上下方向)に方向変換され、レンズ2に上方から入射する。
尚、ビームシェーパー1は、被加工物WO(テーブル)から離れて配置されていても良い。ビームBにおけるレーザー発振器からの発出方向及びミラーによる反射後の方向等の各種の方向のうち少なくとも何れかは、上述あるいは図示の方向と異なっていても良い。ビームシェーパー1は、レーザー加工装置以外に設けられても良い。
[First form]
FIG. 1A is a schematic diagram of a
The
The
The
The beam B is emitted from a laser oscillator provided in the laser processing apparatus in a lateral direction, and is redirected by a mirror toward the lens 2 (vertical direction) to enter the
The
レンズ2は、凸レンズであり、ここでは凸面と平面とを有する平凸レンズである。平凸レンズでは、板状の光学薄膜フィルター4を平面側へ配置し易く、好ましい。
レンズ2は、透光性を有しており、自身に入射する、波長λでビーム径2D(直径)のビームBを屈折させ、焦点距離fだけ離れた光軸L上の点である焦点Fで収束させる。
ビームBの中心軸と、レンズ2の光軸Lは、一致している。
レンズ2の材質は、特に限定されず、例えばガラス、結晶、あるいは樹脂である。
The
The
The central axis of the beam B and the optical axis L of the
The material of the
ビームBは、レンズ2の凸面に入射し、界面である凸面の形状により、焦点Fで収束するような角度θを有するように折れ曲がる。角度θは、光軸Lに対する折れ曲がったビームBの部分の角度である。角度θは、光軸Lからの距離dに伴って変化し、d=0でθ=0であり、dが増加するとθが増加して、d=D(ビームBの半径)で最大値θmaxとなる。即ち、角度θは、距離dの関数θ(d)である。ビームBの断面における同心円状の部分(距離dが一定である部分)は、同じ角度θで折れ曲がる。
レンズ2は、角度θの最大値θmaxを可及的に大きく確保して光学多層膜8の設計に余裕を持たせる観点から、例えばレンズ2の直径より短い焦点距離fを有する等、ある程度短い焦点距離fを有するものが好ましい。
又、幾何学的な関係から、θ(d),θmaxは、順に次の式(1),(2)で示される。ここで、tan-1は、tanの逆関数である。
Beam B is incident on the convex surface of
From the viewpoint of ensuring the maximum value θ max of the angle θ as large as possible and allowing some margin in the design of the
Furthermore, from a geometrical relationship, θ(d) and θ max are expressed by the following expressions (1) and (2), respectively: where tan −1 is the inverse function of tan.
光学薄膜フィルター4は、基材6と、光学多層膜8と、反射防止膜10と、を有している。
基材6は、板状であり、光学多層膜8が成膜された第1面R1と、反射防止膜10が成膜された第2面R2と、を備えている。
基材6は、透光性を有する。
基材6の材質は、特に限定されず、例えば石英ガラス等のガラス、結晶、あるいは樹脂である。
基材6の形状は、特に限定されず、例えば平行平板、あるいはウェッジ付きである。
基材6の肉厚は、特に限定されないところ、収差を抑制する観点から、薄い方が好ましい。但し、基材6の最低限以上の強度が確保されることが好ましい。
尚、図1(B)に示されるように、光学薄膜フィルター4は、光学多層膜8のみから成り、レンズ2の表面R’(平凸レンズの平面)に付着されても良い。この場合、レンズ2が付着された光学薄膜フィルター4専用のものとなる一方、光学薄膜フィルター4による収差が最低限まで抑制される。
The optical
The
The
The material of the
The shape of the
The thickness of the
1B, the optical
光学多層膜8は、誘電体材料あるいは半導体材料を用いた無機多層膜であり、誘電体多層膜あるいは半導体多層膜である。
光学多層膜8は、基材6の第1面R1における一部又は全部に形成される。尚、光学多層膜8は、第1面R1及び第2面R2に形成されても良い。
光学多層膜8は、低屈折率層及び高屈折率層を含む。又、光学多層膜8は、更に中屈折率層を含み得る。
高屈折率層及び低屈折率層(並びに中屈折率層)の層数及び材質の選択、並びに各層における厚み(層に係る物理膜厚あるいは光学膜厚)の増減といった設計要素の変更により、光学多層膜8の設計が変更される。
例えば、中屈折率層がこれと光学的に等価である高屈折率層と低屈折率層との組合せにより置換される等、光学多層膜8における一部又は全部の構造は、光学的に等価な他の構造に置換されても良い。
The
The
The
The design of the
For example, a part or all of the structure in the
高屈折率層は、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ランタン(La2O3)、シリコン(Si)、若しくは酸化プラセオジム(Pr2O3)又はこれらの二種以上の混合物といった高屈折率材料から形成される。
又、低屈折率層は、例えば、酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、フッ化カルシウム(CaF2)、フッ化マグネシウム(MgF2)、酸化アルミニウムと酸化プラセオジムとの組合せ(Al2O3-Pr2O3)、酸化アルミニウムと酸化ランタンとの組合せ(Al2O3-La2O3)、若しくは酸化アルミニウムと酸化タンタルとの組合せ(Al2O3-Ta2O5)、又はこれらの二種以上の混合物といった低屈折率材料から形成される。
中屈折率層は、例えばAl2O3、Pr2O3、La2O3、Al2O3-Pr2O3、Al2O3-La2O3、といった中屈折率材料から形成される。
尚、例えば、上述の高屈折率材料から2つの材料を選択して、光学多層膜8が形成されても良い。又、光学多層膜8の外部に、防汚膜等の他の機能を有する膜が組み合わせられても良い。
The high refractive index layer is formed from a high refractive index material such as zirconium oxide ( ZrO2 ), titanium oxide ( TiO2 ), tantalum oxide ( Ta2O5 ), niobium oxide ( Nb2O5 ), hafnium oxide ( HfO2 ), lanthanum oxide ( La2O3 ), silicon ( Si ), or praseodymium oxide ( Pr2O3 ), or a mixture of two or more of these.
The low refractive index layer is formed from a low refractive index material such as silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), calcium fluoride (CaF 2 ), magnesium fluoride (MgF 2 ), a combination of aluminum oxide and praseodymium oxide (Al 2 O 3 -Pr 2 O 3 ), a combination of aluminum oxide and lanthanum oxide (Al 2 O 3 -La 2 O 3 ), or a combination of aluminum oxide and tantalum oxide (Al 2 O 3 -Ta 2 O 5 ), or a mixture of two or more of these.
The medium refractive index layer is made of a medium refractive index material such as Al 2 O 3 , Pr 2 O 3 , La 2 O 3 , Al 2 O 3 --Pr 2 O 3 , or Al 2 O 3 --La 2 O 3 .
For example, two materials may be selected from the above-mentioned high refractive index materials to form the
光学多層膜8の低屈折率層及び高屈折率層(並びに中屈折率層)は、真空蒸着法あるいはイオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法等により形成される。
光学多層膜8は、基材6における複数の面に形成されても良い。例えば、光学多層膜8は、平行平板あるいはウェッジ付き、凹面、凸面の基材6の表裏両面に形成されても良い。
The low and high refractive index layers (as well as the medium refractive index layer) of the
The
反射防止膜10は、光学多層膜8と同様に、主に低屈折率層及び高屈折率層を交互に積層した膜である。反射防止膜10は、第2面R2におけるビームBの反射を抑えるように設計される。
反射防止膜10は、基材6の第2面R2における一部又は全部に形成される。
尚、反射防止膜10は、第1面R1及び第2面R2に形成されても良い。反射防止膜10は、省略されても良い。
The
The
The
光学薄膜フィルター4は、レンズ2におけるビームBの出射側、即ちレンズ2の平面側に配置される。光学薄膜フィルター4は、光学多層膜8に基材6を介さず直接入射させるため、光学多層膜8がレンズ2に近い側となるように配置される。尚、光学薄膜フィルター4は、基材6がレンズ2に近い側となるように配置されても良い。
光学多層膜8には、レンズ2により、角度θ(d)を有するビームBが入射する。よって、角度θは、入射角度に相当する。
The optical
The beam B having an angle θ(d) is incident on the
レーザー発振器から光学多層膜8入射直前までのビームBにおける断面強度分布は、図1(C)に示されるようなガウシアン型であり、ビームBの円状の断面の中心においてビームBの強度が最も強く、中心から同心円状に強度が弱くなっていき、ビームBの外縁で強度が十分に小さいような分布である。
このガウシアン型の断面強度分布fG(d)は、最も強い強度を1として、一般に次の式(3)で表される。ここで、σは標準偏差であり、fG(d)の半値全幅FWHMは、2√(2ln2)σであって、lnは自然対数である。
The cross-sectional intensity distribution of beam B from the laser oscillator to just before it is incident on the
This Gaussian cross-sectional intensity distribution f G (d) is generally expressed by the following equation (3), where the strongest intensity is 1: where σ is the standard deviation, and the full width at half maximum FWHM of f G (d) is 2√(2ln2)σ, where ln is the natural logarithm.
光学多層膜8は、ビームBが入射する角度θに応じて透過率が所定の態様で変化するように設計されている。
一般に、光をフィルタリングする光学多層膜8は、光の入射の角度θが増加すると、分光透過率分布が短波長側へシフトする特性を有している。即ち、光学多層膜8では、多層での干渉状態が入射の角度θにより異なり、干渉に入射の角度θへの依存性が存在して、透過率が入射の角度θに依存したものとなる(入射角度依存透過率)。
例えば、θ=0(垂直入射)において、700nmの波長を境界として、これより短波長側で100%に近い透過率を持ち、長波長側で0%に近い透過率を持つショートウェーブパスフィルタにおいて、θが増加すると、700nmより短い波長を境界として、これより短波長側で100%に近い透過率を持ち、長波長側で0%に近い透過率を持つように、分光透過率分布が短波長側にシフトする。
かような特性は、従来、波長軸(横軸)方向について注目されてきた。これに対し、本発明では、透過率軸(縦軸)方向の変化に注目し、当該変化を制御することで、入射の角度θに依存した所望の透過率を有する光学多層膜8を構成する。
光学多層膜8は、透過率が100%未満である場合、主にビームBの一部の反射により透過率を減少させる。光学多層膜8において、ビームBの吸収は殆ど起こらず、透過率の減少に寄与しない。
The
In general, the
For example, in a short wave pass filter having a transmittance close to 100% on the shorter wavelength side and a transmittance close to 0% on the longer wavelength side at θ=0 (normal incidence), with the wavelength of 700 nm as the boundary, as θ increases, the spectral transmittance distribution shifts to the shorter wavelength side, so that the wavelength shorter than 700 nm is the boundary, and the transmittance is close to 100% on the shorter wavelength side and the transmittance is close to 0% on the longer wavelength side.
Conventionally, such characteristics have been focused on in the wavelength axis (horizontal axis) direction, whereas the present invention focuses on the change in the transmittance axis (vertical axis) direction and controls the change to configure an
When the transmittance of the
光学多層膜8では、ビームBの断面強度分布が、ガウシアン型の断面強度分布fG(d)からフラットトップ型の断面強度分布fF(d)に変換されるような、角度θに伴う透過率を有するように設計される(フラットトップ裾有り型:後述の実施例1,2,4、フラットトップ裾切り型:後述の実施例3)。尚、光学多層膜8は、断面強度分布を、ガウシアン型から、フラットトップ型以外の他の型に変換するものであっても良いし、ガウシアン型以外の型から、フラットトップ型あるいは他の型に変換するものであっても良い(フラットトップ裾切り型からドーナツ型への変換:後述の実施例5)。
フラットトップ型の断面強度分布fF(d)は、より詳しくは、ガウシアン型の断面強度分布fG(d)において半値を超える部分(半値全幅FWHMの線より上の部分)をカットした分布であり、次の式(4)で示される。このカットにより、半値全幅FWHMを直径とする円形のフラット部(断面強度分布が3次元である場合)が形成され、当該フラット部が、ビームBの強度の面で有効に被加工物WO等に作用する有効断面領域となる。尚、フラットトップ型の断面強度分布fF(d)は、例えば2/3を超える部分をカットした分布とする等、様々に変更されても良い。
The
More specifically, the flat-top cross-sectional intensity distribution f F (d) is a distribution in which the portion exceeding half-value (the portion above the full width at half maximum FWHM line) in the Gaussian cross-sectional intensity distribution f G (d) is cut, and is expressed by the following formula (4). This cut forms a circular flat portion (when the cross-sectional intensity distribution is three-dimensional) with the full width at half maximum FWHM as a diameter, and this flat portion becomes an effective cross-sectional area that effectively acts on the workpiece WO etc. in terms of the intensity of the beam B. The flat-top cross-sectional intensity distribution f F (d) may be modified in various ways, for example, to a distribution in which the portion exceeding 2/3 is cut.
光学多層膜8の角度θ毎の透過率の目標値T(θ)は、各型の断面強度分布fG(d),fF(d)に基づいて、次の式(5)により算出される。
光学多層膜8は、透過率の目標値T(θ)に適合するように設計され、理想的には、角度θに応じた透過率Tr(θ)が、目標値T(θ)と全く同一のものとなる(Tr(θ)=T(θ))。尚、現実的には、光学多層膜8は、透過率Tr(θ)が可及的に目標値T(θ)に近づくように設計される。
The target value T(θ) of the transmittance for each angle θ of the
The
透過率Tr(θ)を有する光学多層膜8をビームBが通過することにより、ビームBの断面強度分布がガウシアン型からフラットトップ型に変換され、ビームBが、レンズ2の収束作用により、断面強度分布が相似的に縮小しつつ、被加工物WOに達する。
厳密には、光学薄膜フィルター4が配置されずレンズ2のみとされた場合のビームBの外縁(図1における光学薄膜フィルター4以下のビームBの点線)に対し、光学薄膜フィルター4が配置される第1形態では、光学薄膜フィルター4(主に基材6)によりビームBが屈折されることから、ビームBの外縁がズレることとなる。尚、図1では、明確化のため、ビームBの外縁のズレが誇張されている。
実際には、ビームBの外縁のズレは光学薄膜フィルター4の肉厚に比例し、光学薄膜フィルター4(基材6)が薄い板状であれば、ズレは十分に小さいから、被加工物WOは、光学薄膜フィルター4が配置されない場合と同じく、レンズ2から焦点距離fだけ離れた位置に配置すれば良い。又、精密性が重視される場合、あるいは強度の確保等により光学薄膜フィルター4の肉厚が比較的に厚い場合には、ビームBの外縁のズレを算出して、そのズレの分だけ被加工物WOの位置をずらせば良い。ズレの算出等について、基材6をレンズ2側に配置する場合も、同様である。尚、図1(B)に示される変更例の場合、光学多層膜8付きのレンズ2は、各種の収差の発生が抑制され、配置等において光学多層膜8のないレンズ2と同様に取り扱える。
被加工物WOは、収束され且つ断面強度分布がフラットトップ型に変換されたビームBにより加工される。
As beam B passes through
Strictly speaking, in the first embodiment in which the optical
In reality, the deviation of the outer edge of the beam B is proportional to the thickness of the optical
A workpiece WO is processed by a beam B which is focused and whose cross-sectional intensity distribution is converted into a flat-top type.
第1形態の光学薄膜フィルター4は、基材6と、基材6の表面Rに形成された光学多層膜8と、を備えており、光学多層膜8は、干渉により、自身に入射させるビームBの波長において、ビームBの入射の角度θに応じた透過率Tr(θ)(設計上の目標値T(θ))である入射角度依存透過率を有するものであり、その入射角度依存透過率により、光学多層膜8に屈折させて入射させたビームBの断面強度分布を変換するものである。
よって、光学薄膜フィルター4は、基材6に光学多層膜8を成膜するだけで製造され、製造を行い易い光学薄膜フィルター4が提供される。
又、光学多層膜8は、反射により透過率を低減させるため、自身にビームBのエネルギーは蓄積されない。従って、光学薄膜フィルター4は、長寿命となり、ハイパワーレーザーに対しても耐性が高く損傷が防止されたものとなる。
The optical
Therefore, the optical
In addition, the
又、第1形態の光学薄膜フィルター4では、光学多層膜8に入射する前のビームBの電場の楕円率kと、光学多層膜8により断面強度分布が変換されたビームBの電場の楕円率kとの変化量である楕円率変化量が、0.5以下である。よって、変換前後で偏光状態が保存され、特に、加工に適した円偏光のビームBの断面強度分布を、円偏光のままあるいは円偏光に近い状態で変換する光学薄膜フィルター4が提供される。
更に、光学多層膜8に入射する前のビームBの断面強度分布は、ガウシアン型であり、光学多層膜8により変換されたビームBの断面強度分布は、フラットトップ型である。よって、発振直後の断面強度分布として一般的なガウシアン型を、厚板加工等に適したフラットトップ型に変換する、製造容易であり、長寿命でハイパワー対応可能な光学薄膜フィルター4が提供される。
加えて、第1形態のビームシェーパー1は、光学薄膜フィルター4と、1つのレンズ2と、を備えており、レンズ2は、ビームBを屈折して、光学薄膜フィルター4に対し入射させる。よって、光学薄膜フィルター4に対し、ビームBを、様々な入射の角度θを有する状態で入射させるレンズ2を備えた、製造容易で耐性の高いビームシェーパー1が提供される。
Furthermore, in the first form of optical
Furthermore, the cross-sectional intensity distribution of the beam B before it is incident on the
In addition, the
[第2形態]
図2(A)は、本発明の第2形態に係るビームシェーパー101の模式図である。
ビームシェーパー101は、第1形態と同様であるレンズ2及び光学薄膜フィルター4を備えている。
レンズ2の凸面は、被加工物WO側に配置される。光学薄膜フィルター4の基材6は、レンズ2の平面と対向して配置される。
尚、図2(B)に示されるように、レンズ2及び光学薄膜フィルター4は、レンズ2及びその平面に形成された光学多層膜8に置き換えることができる。この場合、第1形態の図1(B)の場合と同様な効果が発揮される。又、第2形態は、第1形態と同様の変更例を適宜有する。
[Second embodiment]
FIG. 2A is a schematic diagram of a
The
The convex surface of the
As shown in Fig. 2(B), the
又、ビームシェーパー101は、レンズ102を備えている。
レンズ102は、レンズ2と同様に成る。レンズ102の焦点距離fは、レンズ2と同じである。
レンズ102は、レンズ2に対し、平面をレンズ2の平面と向かい合わせた状態で、焦点距離fの2倍離れた位置に配置されている。レンズ102は、レンズ2からみて、被加工物WOと反対側に配置されている。レンズ102は、ビームBの光路において、レンズ2及び光学薄膜フィルター4の上流に配置されている。
The
The
The
更に、ビームシェーパー101は、レンズ112を備えている。
レンズ112は、凸レンズであり、ここでは平凸レンズである。
レンズ112の焦点距離f’は、レンズ2,102の焦点距離fに比べて十分に(例えば2倍以上)大きい。
レンズ112の凸面は、レンズ2の凸面と向かい合っており、レンズ2の凸面と隣接している。
レンズ2,102,112の光軸Lは揃えられており、ビームBの中心軸と一致している。
Furthermore, the
The
The focal length f′ of the
The convex surface of
The optical axes L of the
レンズ2,102,112、及び光学薄膜フィルター4は、ケース120内に配置されている。ケース120は、レンズ102側でビームBを入れる上孔121と、レンズ112側でビームBを出す下孔122とを有している。尚、下孔122には、被加工物WOからの飛散物がケース120内に入り込まないように、透光性を有する窓板が設置されても良い。
ケース120内には、ピンホール板124が設置されている。ピンホール板124は、光軸Lと直交するように設けられている。ピンホール板124は、ピンホールPHを有する。ピンホール板124は、レンズ2,102の中間に配置されている。ピンホール板124のレンズ2,102に対する各距離は、互いに等しい。ピンホールPHは、光軸L上に配置されている。
The
A
上孔121から入ったガウシアン型のビームBは、レンズ102により収束し、ピンホールPHで焦点F’を結んで(合焦して)下方に発散し、光学多層膜8に、入射する角度θが光軸Lからの距離dに応じた状態で入射する。
ビームBは、光学多層膜8によりフラットトップ型に変換され、光学多層膜8及び基材6を出て、レンズ2に至る。
発散するビームBは、レンズ2により平行光に戻され、レンズ112に達する。
ビームBは、フラットトップ型の断面強度分布のままレンズ112により収束され、下孔122から出て、焦点距離f’だけ離れた被加工物WOに当てられる。
被加工物WOは、収束され且つ断面強度分布がフラットトップ型に変換されたビームBにより加工される。
The Gaussian beam B entering through the
The beam B is converted into a flat-top beam by the
The diverging beam B is returned to a parallel state by
The beam B is converged by the
A workpiece WO is processed by a beam B which is focused and whose cross-sectional intensity distribution is converted into a flat-top type.
第2形態のビームシェーパー101は、光学薄膜フィルター4と、3つのレンズ2,102,112と、を備えており、レンズ102は、ビームBを屈折して、光学薄膜フィルター4に対し入射させる。よって、光学薄膜フィルター4に対し、ビームBを、様々な入射の角度θを有する状態で入射させるレンズ102を備えた、製造容易で耐性の高いビームシェーパー101が提供される。
又、第2形態のビームシェーパー101では、光学薄膜フィルター4と、3つのレンズ2,102,112とが、ケース120に入れられている。よって、光学多層膜8等から出た反射光を始めとするビームBの散乱光がケース120の外部に放射される事態が防止され、散乱光によるレーザー発振器等(外部機器等)への影響の発生が抑制される。
更に、第2形態のビームシェーパー101では、光学薄膜フィルター4よりビームBの上流側に、ピンホールPHを有するピンホール板124が設けられており、レンズ102は、ピンホールPHにおいてビームBを合焦させる(焦点F’)。よって、ピンホール板124により、散乱光がビームBの上流側に戻る事態が防止され、散乱光によるレーザー発振器等への影響の発生が抑制される。又、被加工物WOに対してビームBを収束させるためのレンズ112は、短焦点距離のレンズ2より低廉な中焦点距離以上のものとすることが可能である。
The
In the second form of
Furthermore, in the second form of
[第3形態]
図3(A)は、本発明の第3形態に係るビームシェーパー201の模式図である。
ビームシェーパー201は、レンズ202、及び第1形態と同様の光学薄膜フィルター4を備えている。
レンズ202は、凸レンズであり、平凸レンズである。レンズ202の平面は、被加工物WO側に配置される。光学薄膜フィルター4の光学多層膜8は、レンズ202の平面と対向して配置される。
レンズ202の焦点距離f3は、第1形態のレンズ2の焦点距離fより長い。
尚、図3(B)に示されるように、レンズ202及び光学薄膜フィルター4は、レンズ202及びその平面に形成された光学多層膜8に置き換えることができる。この場合、第1形態の図1(B)の場合と同様な効果が発揮される。又、第3形態は、第1形態及び第2形態と同様の変更例を適宜有する。
[Third Form]
FIG. 3A is a schematic diagram of a
The
The
The focal length f3 of
As shown in Fig. 3B, the
又、ビームシェーパー201は、レンズ212を備えている。
レンズ212は、凹レンズであり、ここでは凹面と平面とを有する平凹レンズである。レンズ212の焦点距離f1は、負の値である。レンズ212の凹面には、発振されたビームBが入射し、レンズ212の平面から発散する。レンズ212は、ビームBの径を拡大する。尚、レンズ212は、両凹レンズ等であっても良い。
レンズ212は、レンズ202の上流に配置されている。レンズ212の平面は、レンズ202側に配置されている。
The
The
The
更に、ビームシェーパー201は、レンズ222を備えている。
レンズ222は、凸レンズであり、ここでは平凸レンズである。
レンズ222の焦点距離f2は、レンズ212の焦点距離f1の絶対値より大きい。
レンズ222は、レンズ212,202の間であって、レンズ202に近い側に配置されている。レンズ222は、レンズ202に隣接している。レンズ222の凸面は、レンズ202の凸面と向かい合っている。
レンズ222の平面に入射したレンズ212からの発散光は、凸面で平行光となる。尚、レンズ222で発散度合が弱められても良い。
レンズ202,212,222の光軸Lは揃えられており、ビームBの中心軸と一致している。
レンズ212,222の組合せは、ガリレオ式である。
Furthermore, the
The
The focal length f2 of the
The
The divergent light from the
The optical axes L of the
The combination of
レンズ202,212,222、及び光学薄膜フィルター4は、ケース230内に配置されている。ケース220は、レンズ212側でビームBを入れる上孔231と、レンズ112側でビームBを出す下孔232とを有している。尚、下孔232には、被加工物WOからの飛散物がケース220内に入り込まないように、透光性を有する窓板が設置されても良い。
The
上孔231から入ったガウシアン型のビームBは、レンズ212により発散し、レンズ222で拡径された平行光となり、レンズ202で収束して、光学多層膜8に、入射する角度θが光軸Lからの距離dに応じた状態で入射する。
ビームBは、光学多層膜8によりフラットトップ型に変換され、光学多層膜8及び基材6を出て、下孔232から出、レンズ202から焦点距離f3だけ離れた被加工物WOに当てられる。
被加工物WOは、収束され且つ断面強度分布がフラットトップ型に変換されたビームBにより加工される。
The Gaussian beam B entering from the
The beam B is converted to a flat-top beam by the
A workpiece WO is processed by a beam B which is focused and whose cross-sectional intensity distribution is converted into a flat-top type.
第3形態のビームシェーパー201は、光学薄膜フィルター4と、3つのレンズ202,212,222と、を備えており、レンズ202は、ビームBを屈折して、光学薄膜フィルター4に対し入射させる。よって、光学薄膜フィルター4に対し、ビームBを、様々な入射の角度θを有する状態で入射させるレンズ202を備えた、製造容易で耐性の高いビームシェーパー201が提供される。
又、第3形態のビームシェーパー201では、光学薄膜フィルター4と、3つのレンズ202,212,222とが、ケース230に入れられている。よって、光学多層膜8等から出た反射光を始めとするビームBの散乱光がケース230の外部に放射される事態が防止され、散乱光によるレーザー発振器等への影響の発生が抑制される。
更に、第3形態のビームシェーパー201では、複数のレンズ212,222は、光学薄膜フィルター4よりビームBの上流側に配置されており、ビームBを拡径するものである。よって、光学多層膜8に対し角度θを付けてビームBを入射させるためのレンズ202に対し、拡径されたビームBが入射することとなり、短焦点距離のレンズ2より低廉な中焦点距離以上のレンズ202が用いられても、角度θの幅が十分に確保された(角度θの最大値θmaxが十分に大きい)状態でビームBが入射することとなり、中焦点距離以上のレンズ202が使用されても光学多層膜8の設計に余裕を持たせることができる。
The
In the third embodiment of the
Furthermore, in the
[第4形態]
図4(A)は、本発明の第4形態に係るビームシェーパー301の模式図である。
ビームシェーパー301は、第3形態におけるガリレオ式のレンズ212,222をケプラー式のレンズ312,222に代え、更にピンホール板334を追加した他、第3形態と同様に成る。
即ち、ビームシェーパー301は、第3形態の凹面を上流側に有するレンズ212に代わり、凸面を上流側に有するレンズ312を、上孔231側に有している。
レンズ312は、凸レンズであって、平凸レンズであり、ここではレンズ212の焦点距離f1と正負のみ異なる焦点距離f1’を有する。尚、レンズ312は、両凸レンズ等であっても良い。
[Fourth Form]
FIG. 4A is a schematic diagram of a
The
That is, the
The
レンズ202,222,312の光軸Lは揃えられており、ビームBの中心軸と一致している。
レンズ312の凸面に入射したビームBは、平面を出て収束光となり、焦点F”を結んだ後で発散光となってレンズ222に至る。レンズ312は、焦点距離f1’より遠方で、ビームBの径を拡大する。
ケース230内には、ピンホール板334が設置されている。ピンホール板334は、光軸Lと直交するように設けられている。ピンホール板334は、ピンホールPHを有する。ピンホール板334は、レンズ222,312の中間に配置されている。ピンホールPHは、光軸L上の焦点F”を含むように配置されている。
尚、図4(B)に示されるように、レンズ202及び光学薄膜フィルター4は、レンズ202及びその平面に形成された光学多層膜8に置き換えることができる。この場合、第1形態の図1(B)の場合と同様な効果が発揮される。又、第4形態は、第1形態ないし第3形態と同様の変更例を適宜有する。
The optical axes L of the
Beam B incident on the convex surface of
A
As shown in Fig. 4(B), the
上孔231から入ったガウシアン型のビームBは、レンズ312により収束後に発散し、レンズ222で拡径された平行光となり、レンズ202で収束して、光学多層膜8に、入射する角度θが光軸Lからの距離dに応じた状態で入射する。
ビームBは、光学多層膜8によりフラットトップ型に変換され、光学多層膜8及び基材6を出て、下孔232から出、レンズ202から焦点距離f3だけ離れた被加工物WOに当てられる。
被加工物WOは、収束され且つ断面強度分布がフラットトップ型に変換されたビームBにより加工される。
The Gaussian beam B entering from the
The beam B is converted to a flat-top beam by the
A workpiece WO is processed by a beam B which is focused and whose cross-sectional intensity distribution is converted into a flat-top type.
第4形態のビームシェーパー301は、光学薄膜フィルター4と、3つのレンズ202,222,312と、を備えており、レンズ202は、ビームBを屈折して、光学薄膜フィルター4に対し入射させる。よって、光学薄膜フィルター4に対し、ビームBを、様々な入射の角度θを有する状態で入射させるレンズ202を備えた、製造容易で耐性の高いビームシェーパー301が提供される。
又、第4形態のビームシェーパー301では、光学薄膜フィルター4と、3つのレンズ202,222,312とが、ケース230に入れられている。よって、光学多層膜8等から出た反射光を始めとするビームBの散乱光がケース230の外部に放射される事態が防止され、散乱光によるレーザー発振器等への影響の発生が抑制される。
更に、第4形態のビームシェーパー301では、光学薄膜フィルター4よりビームBの上流側に、ピンホールPHを有するピンホール板334が設けられており、レンズ312は、ピンホールPHにおいてビームBを合焦させる(焦点F”)。よって、ピンホール板334により、散乱光がビームBの上流側に戻る事態が防止され、散乱光によるレーザー発振器等への影響の発生が抑制される。又、被加工物WOに対してビームBを収束させるためのレンズ202は、短焦点距離のレンズ2より低廉な中焦点距離以上のものとすることが可能である。
又更に、第4形態のビームシェーパー301では、複数のレンズ222,312は、光学薄膜フィルター4よりビームBの上流側に配置されており、ビームBを拡径するものである。よって、光学多層膜8に対し角度θを付けてビームBを入射させるためのレンズ202に対し、拡径されたビームBが入射することとなり、短焦点距離のレンズ2より低廉な中焦点距離以上のレンズ202が用いられても、角度θの幅が十分に確保された状態でビームBが入射することとなり、中焦点距離以上のレンズ202が使用されても光学多層膜8の設計に余裕を持たせることができる。
The
In the fourth embodiment of the
Furthermore, in the fourth form of
Furthermore, in the
そして、上記第1~第4形態の何れにも存在する変更例において(図1(B),図2(B),図3(B),図4(B))、光学薄膜フィルター4及び1つのレンズ(第1,第2形態:レンズ2、第3,第4形態:レンズ202)に代えて、光学多層膜8を表面R’に成膜した1つのレンズ(第1,第2形態:レンズ2、第3,第4形態:レンズ202)が配置されている。
この場合、ビームBの断面強度分布の変更が可能である光学薄膜フィルター4による収差が、最低限まで抑制される。
In the modified examples present in all of the first to fourth forms described above (Figures 1(B), 2(B), 3(B), and 4(B)), instead of the optical thin-
In this case, the aberration caused by the optical
次に、本発明の上記実施形態に準じた実施例が示される。
但し、実施例は、本発明の範囲を限定するものではない。特に、実施例におけるビームBの波長は、1064nm、355nmとされているところ、本発明におけるビームBの波長は、これらのものに限られない。
又、本発明の捉え方により、実施例が、本発明の範囲外となる実質的な比較例となったり、比較例が、本発明の範囲内である実質的な実施例となったりすることがある。
Next, examples according to the above-described embodiment of the present invention will be described.
However, the examples do not limit the scope of the present invention. In particular, while the wavelengths of beam B in the examples are 1064 nm and 355 nm, the wavelength of beam B in the present invention is not limited to these.
Furthermore, depending on how the present invention is interpreted, an Example may be essentially a Comparative Example outside the scope of the present invention, or a Comparative Example may be essentially an Example within the scope of the present invention.
[実施例1:フラットトップ裾有り型1]
≪構成等≫
本発明に係る実施例1として、上記第1形態におけるガウシアン型からフラットトップ型(フラットトップ裾有り型)への変換フィルターとしての光学多層膜8を含むビームシェーパー1に属するものが形成された。
各種の値は、次の表1に示される通りである。光学多層膜8の各層(奇数層:Ta2O5,偶数層:SiO2)の物理膜厚は、図5に示される通りである。反射防止膜10の各層(奇数層:SiO2,偶数層:Ta2O5)の物理膜厚は、図6に示される通りである。
[Example 1: Flat top with hem 1]
<Composition, etc.>
As a first embodiment of the present invention, a
The various values are as shown in Table 1 below. The physical film thickness of each layer ( odd layers: Ta2O5 , even layers: SiO2 ) of the
≪直線偏光と入射位置等≫
図7は、レンズ2及び光学薄膜フィルター4をレンズ2の上方からみた模式図であって、ビームBが直線偏光する場合の図である。図7において、x軸は、レンズ2の光軸Lと直交しており、直線偏光の方向にとられる。又、y軸は、レンズ2の光軸L及びx軸と直交するようにとられる。
ビームBの中心軸は、光軸L(z軸)と一致した状態で、図7の紙面手前から奥方向(z軸+方向)へ進む。ビームBは、レンズ2で焦点Fに向かい屈折されて、光学薄膜フィルター4(光学多層膜8)に角度θで入射する。
光学多層膜8に対して、xz平面P1内で入射するビームBは、p偏光となる。より詳しくは、ビームBの全強度に対するp偏光強度比が1で、s偏光強度比が0となる。
一方、光学多層膜8に対して、yz平面P2内で入射するビームBは、s偏光となる。より詳しくは、p偏光強度比が0で、s偏光強度比が1となる。
他方、xz平面がz軸周り(図7の反時計回り)で方位角φだけ回転した平面P3内で入射するビームBは、p偏光及びs偏光が共存したものとなる。より詳しくは、ビームBの動径方向成分(cosφに比例)がp偏光となり、方位角方向成分(sinφに比例)がs偏光となり、p偏光強度比が(cosφ)2で、s偏光強度比が(sinφ)2となる。
光学多層膜8通過後において光軸Lの周りで強度が対称なビームBとする観点からは、光学多層膜8の透過率特性は、p偏光とs偏光とで同じであることが好ましい。又、光学多層膜8通過後において通過前の偏光状態を維持する観点からは、光学多層膜8の透過率特性は、通過前後でのp偏光とs偏光との位相差が0であることが好ましい。
光学多層膜8の特性が、その設計及び製造の少なくとも一方によって好ましい状態からの差を生じると、直線偏光のビームBは、光学多層膜8の通過により、楕円偏光になる。
<Linear polarization and incident position, etc.>
7 is a schematic diagram of the
7. With the central axis of beam B coinciding with the optical axis L (z-axis), beam B travels from the front of the paper to the back (z-axis + direction) of the paper in Fig. 7. Beam B is refracted by
The beam B incident on the
On the other hand, the beam B incident on the
On the other hand, the beam B incident on the plane P3, which is obtained by rotating the xz plane by the azimuth angle φ around the z axis (counterclockwise in FIG. 7), has both p-polarized and s-polarized light. More specifically, the radial component of the beam B (proportional to cosφ) is p-polarized light, and the azimuth component (proportional to sinφ) is s-polarized light, with the p-polarized light intensity ratio being (cosφ) 2 and the s-polarized light intensity ratio being (sinφ) 2 .
From the viewpoint of making the beam B symmetric in intensity around the optical axis L after passing through the
When the characteristics of the
≪円偏光と入射位置等≫
図8は、ビームBが円偏光する場合の図7同様図である。
円偏光の場合、p偏光成分とs偏光成分との比は、常に1:1となる。
よって、円偏光は、光学多層膜8の光学特性がp偏光に対するものとs偏光に対するものとで同等で、且つ光学多層膜8の通過後のp偏光とs偏光との位相差が0であると、保存される。
光学多層膜8の特性が、その設計及び製造の少なくとも一方によって好ましい状態からの差を生じると、円偏光のビームBは、光学多層膜8の通過により、楕円偏光になる。
レーザー加工において、直線偏光あるいは楕円偏光のビームBで切断した場合、被加工物WOに入射するビームBの偏光方向に依存して光の吸収が異なる結果、加工方向により加工幅,表面粗さ等の加工品質が異なってしまうこと、及びこれを回避するために異方性のない円偏光のビームBで加工すれば良いことが知られている。かような観点からは、光学多層膜8は、円偏光のビームBを円偏光のまま通過させることが好ましく、実施例1の光学多層膜8は、この観点に鑑みて設計されている。
<Circular polarization and incident position, etc.>
FIG. 8 is a view similar to FIG. 7, but for the case where beam B is circularly polarized.
For circularly polarized light, the ratio of p-polarized to s-polarized components is always 1:1.
Therefore, circularly polarized light is preserved if the optical properties of the
When the characteristics of the
It is known that in laser processing, when cutting is performed with a linearly polarized or elliptically polarized beam B, the absorption of light differs depending on the polarization direction of the beam B incident on the workpiece WO, resulting in differences in processing quality such as the processing width and surface roughness depending on the processing direction, and that in order to avoid this, processing can be performed with a non-anisotropic circularly polarized beam B. From this perspective, it is preferable for the
円偏光のビームBが光学多層膜8においてどの程度円偏光の状態を保持して通されたかに関係する指標として、ここでは楕円率が示される。
図9は、楕円率に関する模式図であり、光学多層膜8通過後のビームB(楕円偏光)における電場ベクトルの軌道の一例を示すグラフである。図9中、Epはp偏光の電場であり、Esはs偏光の電場である。電場ベクトルの軌道に係る楕円の中心は、EpとEsとの交点(原点)を通る。
光学多層膜8通過前に次の式(6)の電場を有するビームBが、光学多層膜8通過後、図9に示されるように、次の式(7)の電場を有したとする。ここで、apは光学多層膜8通過前のEpの振幅であり、asは光学多層膜8通過前のEsの振幅であり、ωは周波数であり、Δ0は偏光状態を表すパラメータ(0°で直線偏光,+90°で受光する側からみて右回りの円偏光)であり、Tpは光学多層膜8のs偏光に対する透過率であり、Tsは光学多層膜8のs偏光に対する透過率であり、Δは透過位相差、即ちp偏光とs偏光との位相差δp-δsである。
Here, the ellipticity is shown as an index relating to the extent to which the circularly polarized state of the beam B is maintained while passing through the
Fig. 9 is a schematic diagram of ellipticity, and is a graph showing an example of the trajectory of the electric field vector of the beam B (elliptically polarized) after passing through the
Assume that beam B, which has an electric field of the following formula (6) before passing through the
つまり、光学多層膜8通過後のビームBに係る電場ベクトルの軌道は、Epに対して偏光方位角ψだけ図9の反時計回りで回転したEξの方向において振幅ap’=ap√Tpで振動し、Esに対して偏光方位角ψだけ図9の反時計回りで回転したEηの方向において振幅as’=as√Tsで振動するものとなる。
そして、楕円率kが、(ap’,as’)、あるいはEξEη平面における原点から(ap’,as’)への線分とEξ軸との角度である楕円率角χにより、式(8),(9)で表される。
In other words, the trajectory of the electric field vector of beam B after passing through
The ellipticity k is expressed by equations (8) and ( 9) using (a p ', a s ') or the ellipticity angle χ, which is the angle between the E ξ axis and the line segment from the origin to (a p ', a s ') on the E ξ E η plane.
楕円率kは、1であれば右回りの円偏光を示し、0であれば直線偏光を示し、-1であれば左回りの円偏光を示す。
尚、偏光方位角ψは次の式(10)で示され、Eξ軸は次の式(11)で示され、Eη軸は次の式(12)で示される。
The ellipticity k is such that 1 indicates right-handed circular polarization, 0 indicates linear polarization, and -1 indicates left-handed circular polarization.
The polarization azimuth angle ψ is expressed by the following equation (10), the E ξ axis is expressed by the following equation (11), and the E η axis is expressed by the following equation (12).
楕円率kは、直線偏光が光学多層膜8においてどの程度直線偏光の状態を保持して通されたかに関係する指標としても用いることができる。
即ち、直線偏光が楕円率k=0であるところ、変換後でも直線偏光を完全に維持していれば楕円率kは0のままであるし、変換後に楕円偏光となれば、楕円率kが大きいほど直線偏光からかけ離れることになる。
The ellipticity k can also be used as an index relating to the degree to which linearly polarized light is passed through the
In other words, while linearly polarized light has an ellipticity k = 0, if the linear polarization is perfectly maintained even after conversion, the ellipticity k will remain 0, and if the light becomes elliptically polarized after conversion, the greater the ellipticity k, the farther it will deviate from linearly polarized light.
≪直線偏光における変換等≫
図10は、実施例1の光学多層膜8に対し、ビームBが、1064nmを含む波長域での各波長において角度θ=0°で入射する場合の分光透過率分布を示すグラフである。
実施例1の光学多層膜8は、波長1064nmのビームB(Nd:YAG(Neodymium:Yttrium Aluminum Garnet)レーザー基本波長)に対して設計されている。図10において、波長1064nmでの透過率は50%であり、波長1064±10nmにおいて、透過率は5%から95%程度まで比例的に単調増加し、波長1064+10nm以上で、透過率が100%に近い(95%以上である)状態が、波長1100nm程度まで続いている。透過率特性は、入射する角度θの増加と共に短波長側へシフトする。そして、短波長側へシフトした場合の波長1064nmでの透過率は、シフト量(角度θ)の増加と共に上昇していき、所定の角度θ以上で100%に近い状態となる。
<<Transformation of linearly polarized light, etc.>>
FIG. 10 is a graph showing the spectral transmittance distribution of the
The
図11は、実施例1の光学多層膜8に対し、波長1064nmのビームBが、角度θ(横軸)で入射する場合の透過率の目標値T(θ),p偏光に対する透過率Tp,s偏光に対する透過率Ts,位相差Δ(縦軸)を示すグラフである。
光学多層膜8の設計において、角度θで変化する透過率の目標値T(θ)として、入射の角度θ=0°で透過率が50%であり、θ=9°強までガウシアン型の断面強度分布の頂部の曲線を打ち消すように透過率が単調増加し、その角度以降、透過率が100%で維持されるものが設定される。
その目標値T(θ)に対し、光学多層膜8の実際の透過率Tr(θ)は、p偏光に対する透過率Tp及びs偏光に対する透過率Tsの双方共に、十分に近づいたものとなっている。
尚、厳密には、入射の角度θが3°程度以上となると、透過率Tp,Tsのズレが生じ、又位相差Δも0°から離れていくため、透過率の偏光依存性が見られるようになる。
FIG. 11 is a graph showing the target transmittance value T(θ), the transmittance T p for p-polarized light, the transmittance T s for s-polarized light, and the phase difference Δ (vertical axis) when a beam B having a wavelength of 1064 nm is incident on the
In designing the
The actual transmittance T r (θ) of the
Strictly speaking, when the angle of incidence θ is about 3° or more, a deviation occurs between the transmittances T p and T s and the phase difference Δ also moves away from 0°, so that the transmittance becomes dependent on the polarization.
図12は、波長1064nmのビームBにおける、空間座標(横軸)と、実施例1の光学多層膜8に係る透過率の目標値T(θ),p偏光に対する透過率Tp,s偏光に対する透過率Ts,入射の角度θ(縦軸)との関係を示すグラフである。図12は、光学多層膜8を透過した直後のビームBについて表されている。このビームBの空間分布は、被加工物WOに至るまで、収束により、光軸Lを中心として相似的に縮小されていく。かような透過直後の事項、及び縮小の事項は、以下、適宜同様に当てはまる。
空間座標は、光軸Lに垂直なある放射方向における距離dの点と、その反対方向における距離dの点にマイナスをつけた点との集合で表される。例えば、方位角φの平面内の光軸Lに垂直な直線上で、一方の光軸Lからの距離dの点が空間座標+dとされ、他方の距離dの点が空間座標-dとされる。
光学多層膜8の透過率の目標値T(θ)は、空間座標が±5mm程度内である領域、即ち光軸Lを中心とする半径5mm程度の円内領域において、ガウシアン型と横軸を中心に対称となる状態で、距離dの絶対値に対して単調増加している。これに対し、p偏光に対する透過率Tp,s偏光に対する透過率Tsは、十分に近づいている。
Fig. 12 is a graph showing the relationship between spatial coordinates (horizontal axis) and the target transmittance value T(θ), transmittance Tp for p-polarized light, transmittance Ts for s-polarized light, and incidence angle θ (vertical axis) for beam B with a wavelength of 1064 nm for the
The spatial coordinates are expressed as a set of a point at a distance d in a certain radial direction perpendicular to the optical axis L and a point at a distance d in the opposite direction, which is a negative value. For example, on a line perpendicular to the optical axis L in a plane of an azimuth angle φ, a point at a distance d from one optical axis L is represented as a spatial coordinate +d, and a point at a distance d from the other optical axis L is represented as a spatial coordinate -d.
The target value T(θ) of the transmittance of the
図13(A),(B),(C)は、方位角φが順に0°,45°,90°である平面における直線偏光したビームBの、空間座標に対する、変換前後及び目標値に係る断面強度分布(変換前の最大強度を1とした相対強度の分布)、並びに楕円率分布を示すグラフである。
断面強度分布の目標値は、透過率が目標値T(θ)であった場合の光学多層膜8を通過したビームBの断面強度分布である。
光学多層膜8の断面強度分布は、どの方位角φでも、概ね断面強度分布の目標値に対し、一致又は隣接するように追従できている。
厳密には、光学多層膜8では、方位角φにより、s偏光及びp偏光に対する透過率特性に差異があるため、ビームBの断面強度分布は、方位角φにより異なっている。
光学多層膜8通過後の楕円率kは、方位角φ=0°,90°では空間座標によらず常に0であるものの、方位角φがそれら以外の値であると、光軸Lから離れるほど増加していく。
13A, 13B, and 13C are graphs showing the cross-sectional intensity distributions (distributions of relative intensity, with the maximum intensity before conversion being set to 1) and the ellipticity distribution before and after conversion and for the target value, respectively, of linearly polarized beam B in a plane whose azimuth angles φ are 0°, 45°, and 90°, respectively, versus spatial coordinates.
The target value of the cross-sectional intensity distribution is the cross-sectional intensity distribution of the beam B that has passed through the
The cross-sectional intensity distribution of the
Strictly speaking, in the
The ellipticity k after passing through the
図14は、ビームBが進む方向に向かってみたビームBの断面図に、極座標(d,φ)における所定の軸及び点を重ねた模式図である。
図15(A)は、図14で表された点(0,0)における直線偏光したビームBの、実施例1の光学多層膜8での変換前後の電場ベクトルの軌道を示すグラフであり、図15(B)~(F)は、順に点(2,0)、(2,22.5)、(2,45)、(2,67.5)、(2,90)における直線偏光したビームBの、実施例1の光学多層膜8での変換前後の電場ベクトルの軌道を示すグラフである。
図16(A)~(E)は、順に点(4,0)、(4,22.5)、(4,45)、(4,67.5)、(4,90)における直線偏光したビームBの、実施例1の光学多層膜8での変換前後の電場ベクトルの軌道を示すグラフである。
図17(A)~(E)は、順に点(10,0)、(10,22.5)、(10,45)、(10,67.5)、(10,90)における直線偏光したビームBの、実施例1の光学多層膜8での変換前後の電場ベクトルの軌道を示すグラフである。
FIG. 14 is a schematic diagram in which a predetermined axis and point in polar coordinates (d, φ) are superimposed on a cross-sectional view of the beam B as seen in the direction in which the beam B travels.
FIG. 15(A) is a graph showing the trajectory of the electric field vector of linearly polarized beam B at point (0,0) shown in FIG. 14 before and after conversion by the
16A to 16E are graphs showing the trajectories of the electric field vector of linearly polarized beam B at points (4,0), (4,22.5), (4,45), (4,67.5), and (4,90), respectively, before and after conversion by the
17A to 17E are graphs showing the trajectories of the electric field vector of linearly polarized beam B at points (10,0), (10,22.5), (10,45), (10,67.5), and (10,90), respectively, before and after conversion by the
図15(A)で示されるように、(0,0)即ちレンズ2の中心を通る直線偏光したビームBの部分は、光学多層膜8に垂直に入射する。よって、当該部分の偏光は関係せず、当該部分の楕円率kは変換前後で0である。
図15~図17で示されるように、何れの距離dにおいても、方位角φ=45°で変換後の楕円率kが最大となる。又、0°及び90°を除く何れの方位角φにおいても、距離d=2(光軸Lから2.0mm)に対してd=4で楕円率kが大きくなる。
光学多層膜8通過後の楕円率kは、図15~図17中ビームBの断面強度分布の裾部分(d=10mm)を除く中央部分(有効断面領域)において最大となる(4,45)の点でも0.074であり、即ち楕円率kの変換前(k=0)に対する変換後の最大(k=0.074)の変化量は0.074であり、直線偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で十分に維持される。
15A, the portion of the linearly polarized beam B passing through (0,0), i.e., the center of the
15 to 17, for any distance d, the ellipticity k after conversion is maximum at an azimuth angle φ of 45°. Also, for any azimuth angle φ except for 0° and 90°, the ellipticity k becomes large at a distance d of 4 relative to a distance d of 2 (2.0 mm from the optical axis L).
The ellipticity k after passing through the
≪円偏光における変換等≫
図18(A)~(C)は、円偏光したビームBに対する実施例1による変換に係る図13(A)~(C)と同様のグラフである。
光学多層膜8の断面強度分布は、円偏光に対しても、どの方位角φでも、概ね断面強度分布の目標値に対し、一致又は隣接するように追従できている。
厳密には、光学多層膜8では、円偏光に対しては、方位角φの方向では断面強度及び楕円率の双方共に方向依存性がない。一方、距離dの方向ではs偏光に対する差異及びp偏光に対する差異があり、断面強度及び楕円率の双方共に方向依存性が存在する。
光学多層膜8通過後の楕円率kは、方位角φによらず、空間座標=0(光軸L上)では常に1(円偏光)であるものの、光軸Lから離れるほど減少していく。
<Conversion of circularly polarized light, etc.>
18A-18C are graphs similar to FIGS. 13A-13C, showing the conversion of circularly polarized beam B according to Example 1. FIG.
The cross-sectional intensity distribution of the
Strictly speaking, in the
The ellipticity k after passing through the
図19~図21は、円偏光したビームBに対する実施例1による変換に係る図15~図17と同様のグラフである。
図19~図21で示されるように、距離dが一定であれば、何れの方位角φにおいても光学多層膜8通過後の楕円率kは一定である。又、楕円率kは、光軸L上で1であり、距離dが大きくなるほど小さくなる。
楕円率kは、図19~図21中ビームBの断面強度分布の中央部分(有効断面領域)に属するd=4.0mmで0.852であり、楕円率kの変換前(k=1)に対する変換後の最大(k=0.852)の変化量は1-0.852=0.148であり、円偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で十分に維持される。
尚、楕円率kの変化量(楕円率変化量)は、種々のシミュレーション等により、直線偏光及び円偏光といった偏光状態に関わらず、0.5以下に収まれば、ビームBの断面強度分布の変換による影響を被加工物WO等に及ぼし難くなり、好ましいことが判明している。
19 to 21 are graphs similar to those of FIGS. 15 to 17 for the conversion of circularly polarized beam B according to Example 1. In FIG.
19 to 21, if the distance d is constant, the ellipticity k after passing through the
The ellipticity k is 0.852 at d = 4.0 mm, which belongs to the central portion (effective cross-sectional area) of the cross-sectional intensity distribution of beam B in Figures 19 to 21, and the maximum change in ellipticity k after conversion (k = 0.852) from before conversion (k = 1) is 1 - 0.852 = 0.148, and the polarization state of the circularly polarized beam B is sufficiently maintained before and after conversion, especially in the central portion.
Furthermore, various simulations have shown that it is preferable for the change in ellipticity k (change in ellipticity) to be 0.5 or less, regardless of the polarization state, such as linear polarization or circular polarization, since this makes it difficult for the change in the cross-sectional intensity distribution of the beam B to have an adverse effect on the workpiece WO, etc.
[実施例2:フラットトップ裾有り型2]
≪構成等≫
本発明に係る実施例2として、上記第1形態におけるガウシアン型からフラットトップ型への変換フィルターとしての光学多層膜8を含むビームシェーパー1に属するものが形成された。
各種の値は、次の表2に示される通りである。
光学多層膜8の各層(奇数層:Ta2O5,偶数層:SiO2)の物理膜厚は、図22に示される通りである。光学多層膜8の層数は、実施例1,2で変わらないものの、実施例2の各層の物理膜厚は、総じて実施例1より増えている。
反射防止膜10は、実施例1と同じである。
[Example 2: Flat top with hem 2]
<Composition, etc.>
As a second embodiment of the present invention, a
The various values are as shown in Table 2 below.
The physical thickness of each layer ( odd layers: Ta2O5 , even layers: SiO2 ) of the
The
≪直線偏光における変換等≫
図23は、実施例2に係る図10同様図である。図24は、実施例2に係る図11同様図である。図25は、実施例2に係る図12同様図である。
実施例2の光学多層膜8は、波長1064nmのビームB(Nd:YAGレーザー基本波長)に対して設計されている。
実施例2の光学多層膜8における透過率特性は、大要実施例1と同様であり、更にp偏光に対する透過率Tpとs偏光に対する透過率Tsとの差異が、様々な角度θ及び空間座標にわたって実施例1より小さくなったものである。特に、フラットトップ型断面強度分布の中央部(フラット部)に対応する入射の角度θ≦10°程度の領域で、位相差Δが殆ど0であり、変換前後での偏光状態が保存される透過率特性が確保される。
又、波長1064+10nm程度以上波長1100nm程度までの波長域で、透過率が実施例1より更に100%に近づいている。
<<Transformation of linearly polarized light, etc.>>
Fig. 23 is a view similar to Fig. 10 according to the second embodiment. Fig. 24 is a view similar to Fig. 11 according to the second embodiment. Fig. 25 is a view similar to Fig. 12 according to the second embodiment.
The
The transmittance characteristics of the
Moreover, in the wavelength region from about 1064+10 nm to about 1100 nm, the transmittance is closer to 100% than in the first embodiment.
図26は、本発明の実施例2(直線偏光)に係る図13同様図である。
図27~図29は、本発明の実施例2(直線偏光)に係る図15~図17と同様の図である。
実施例2の光学多層膜8におけるs偏光とp偏光との透過率特性の差異は、実施例1の光学多層膜8における当該差異より小さいため、実施例2の光学多層膜8を通過したビームBの断面強度は、実施例1の当該断面強度より更に等方的になる。
又、実施例2の位相差Δは、実施例1の位相差Δより小さいため、実施例2における楕円率kの変化は、実施例1における当該変化より小さくなる。
即ち、楕円率kは、図27~図29中ビームBの断面強度分布の中央部分(有効断面領域)に属するd=4.0mmで最大0.005であり、楕円率kの変換前に対する変換後の最大の変化量は0.005であり、直線偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で極めて精度の良い状態で維持される。
FIG. 26 is a view similar to FIG. 13 relating to Example 2 of the present invention (linearly polarized light).
27 to 29 are similar to FIGS. 15 to 17 and relate to Example 2 (linearly polarized light) of the present invention.
Since the difference in transmittance characteristics between s-polarized light and p-polarized light in the
In addition, since the phase difference Δ in the second embodiment is smaller than the phase difference Δ in the first embodiment, the change in the ellipticity k in the second embodiment is smaller than the change in the first embodiment.
In other words, the ellipticity k is a maximum of 0.005 at d = 4.0 mm, which belongs to the central portion (effective cross-sectional area) of the cross-sectional intensity distribution of beam B in Figures 27 to 29, and the maximum change in ellipticity k after conversion from before conversion is 0.005, and the polarization state of the linearly polarized beam B, particularly in the central portion, is maintained with extremely high precision before and after conversion.
≪円偏光における変換等≫
図30~図33は、実施例2(円偏光)に係る図18~図21と同様の図である。
円偏光においても、実施例2の位相差Δが実施例1の位相差Δより小さいことにより、実施例2における楕円率kの変化は、実施例1における当該変化より小さくなる。
即ち、楕円率kは、図31~図33中ビームBの断面強度分布の中央部分(有効断面領域)に属するd=4.0mmで0.989であり、楕円率kの変換前に対する変換後の最大の変化量は0.011であり、円偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で極めて精度の良い状態で維持される。
<Conversion of circularly polarized light, etc.>
30 to 33 are similar to FIGS. 18 to 21 and relate to Example 2 (circularly polarized light).
Even in the case of circularly polarized light, the phase difference Δ in the second embodiment is smaller than the phase difference Δ in the first embodiment, so that the change in ellipticity k in the second embodiment is smaller than that in the first embodiment.
That is, the ellipticity k is 0.989 at d = 4.0 mm, which belongs to the central portion (effective cross-sectional area) of the cross-sectional intensity distribution of beam B in Figures 31 to 33, and the maximum change in ellipticity k after conversion from before conversion is 0.011, and the polarization state of the circularly polarized beam B, especially in the central portion, is maintained with extremely high precision before and after conversion.
[実施例3:フラットトップ裾切り型]
≪構成等≫
本発明に係る実施例3として、上記第1形態におけるガウシアン型からフラットトップ型への変換フィルターとしての光学多層膜8を含むビームシェーパー1に類するものが形成された。ここで、実施例3では、ガウシアン型をフラットトップ裾切り型に変換するものである。フラットトップ裾切り型は、フラットトップ型における中央部分の断面強度分布を残して裾部分の断面強度分布を0とした(0に近づけるものを含む)もので、ここでは光軸Lを中心として全幅2√(2ln2)σ以内で強度が一定となり(中央部分)、全幅2√(2ln2)σ外で強度が0となる(裾部分)ものである。フラットトップ裾切り型は、フラットトップ型の一種である。即ち、フラットトップ型には、フラットトップ裾有り型とフラットトップ裾切り型とが含まれる。
各種の値は、次の表3に示される通りである。
光学多層膜8の各層(奇数層:Ta2O5,偶数層:SiO2)の物理膜厚は、図34に示される通りである。光学多層膜8の層数は、実施例1,2より増えている。
反射防止膜10は、実施例1と同じである。
[Example 3: Flat top hem cut type]
<Composition, etc.>
As a third embodiment of the present invention, a beam shaper similar to the
The various values are as shown in Table 3 below.
The physical thickness of each layer (odd-numbered layers: Ta 2 O 5 , even-numbered layers: SiO 2 ) of the
The
≪直線偏光における変換等≫
図35は、実施例3に係る図10同様図である。図36は、実施例3に係る図11同様図である。図37は、実施例3に係る図12同様図である。
実施例3の光学多層膜8は、波長1064nmのビームB(Nd:YAGレーザー基本波長)に対して設計されている。
実施例3の光学多層膜8における透過率特性は、波長約1070nmまでは実施例2と同様であり、更に約1070nmで透過率が100%付近から0%まで急激に低下し、更に長波長側で透過率0%が維持されるようなものである。
<<Transformation of linearly polarized light, etc.>>
Fig. 35 is a view similar to Fig. 10 according to the third embodiment. Fig. 36 is a view similar to Fig. 11 according to the third embodiment. Fig. 37 is a view similar to Fig. 12 according to the third embodiment.
The
The transmittance characteristics of the
図38は、本発明の実施例3(直線偏光)に係る図13同様図である。
実施例3の光学多層膜8は、何れの方位角φにおいても、ビームBの断面強度分布の目標値に十分に追従している。厳密には、透過率を極めて狭い波長域内で100%近くから0%まで急激に落とすフィルターの構成は一般に困難であり、変換後のビームBの断面強度分布は、断面強度分布の目標値における垂直に近い透過率分布の部分に対して、多少のなまりが存在する。
図39~図41は、本発明の実施例3(直線偏光)に係る図15~図17と同様の図である。
実施例3の光学多層膜8におけるs偏光とp偏光との透過率特性の差異は、十分に小さいため、実施例3の光学多層膜8を通過したビームBの断面強度分布は、十分に等方的である。
又、実施例3の位相差Δは、十分に小さいため、実施例3における楕円率kの変化は、十分に小さくなる。即ち、楕円率kは、図39~図41中ビームBの断面強度分布の中央部分(有効断面領域)に属するd=2.0mmで最大0.008であり、楕円率kの変換前に対する変換後の最大の変化量は0.008であり、直線偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で極めて精度の良い状態で維持される。
FIG. 38 is a view similar to FIG. 13 relating to Example 3 of the present invention (linearly polarized light).
The
39 to 41 are similar to FIGS. 15 to 17 and relate to Example 3 (linearly polarized light) of the present invention.
Since the difference in transmittance characteristics between s-polarized light and p-polarized light in the
Moreover, since the phase difference Δ in Example 3 is sufficiently small, the change in ellipticity k in Example 3 is sufficiently small. That is, the ellipticity k is a maximum of 0.008 at d=2.0 mm which belongs to the central portion (effective cross-sectional area) of the cross-sectional intensity distribution of beam B in Figures 39 to 41, the maximum change in ellipticity k after conversion from before conversion is 0.008, and the polarization state of linearly polarized beam B is maintained with extremely high precision before and after conversion, particularly in the central portion.
≪円偏光における変換等≫
図42~図45は、実施例3(円偏光)に係る図18~図21と同様の図である。
円偏光においても、実施例3の位相差Δが十分に小さいことにより、実施例3における楕円率kの変化は、十分に小さくなる。即ち、楕円率kは、図43~図45中ビームBの断面強度分布の中央部分(有効断面領域)に属するd=2.0mmで0.985であり、楕円率kの変換前に対する変換後の最大の変化量は0.015であり、円偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で極めて精度の良い状態で維持される。
又、距離d=10mm(図45)における変換後のビームBの電場ベクトル軌道は、殆ど0になっており、フラットトップ裾切り型における裾切りの作用が現れている。
<Conversion of circularly polarized light, etc.>
42 to 45 are similar to FIGS. 18 to 21 and relate to Example 3 (circularly polarized light).
Even in the case of circularly polarized light, the phase difference Δ in Example 3 is sufficiently small, and therefore the change in ellipticity k in Example 3 is sufficiently small. That is, the ellipticity k is 0.985 at d=2.0 mm which belongs to the central portion (effective cross-sectional area) of the cross-sectional intensity distribution of beam B in Figures 43 to 45, and the maximum change in ellipticity k after conversion from before conversion is 0.015, and the polarization state of circularly polarized beam B is maintained with extremely high precision before and after conversion, particularly in the central portion.
Moreover, the electric field vector trajectory of the beam B after conversion at a distance d=10 mm (FIG. 45) is almost zero, and the effect of the truncation in the flat top truncated type appears.
[実施例4:フラットトップ裾有り型3]
≪構成等≫
本発明に係る実施例4として、上記第1形態におけるガウシアン型からフラットトップ型への変換フィルターとしての光学多層膜8を含むビームシェーパー1に属するものが形成された。
各種の値は、次の表4に示される通りである。
光学多層膜8の各層(奇数層:HfO2,偶数層:SiO2)の物理膜厚は、図46に示される通りである。
反射防止膜10の各層(奇数層:SiO2,偶数層:HfO2)の物理膜厚は、図47に示される通りである。
実施例4の光学多層膜8は、波長355nmのビームB(Nd:YAGレーザー第3高調波)に対して設計されている。FWHMは実施例1~3より狭く、レンズ2の外径及び焦点距離fは実施例1~3より小さく、θmaxは実施例1~3より大きい。
[Example 4: Flat top with hem 3]
<Composition, etc.>
As a fourth embodiment of the present invention, a
The various values are as shown in Table 4 below.
The physical film thickness of each layer (odd-numbered layers: HfO 2 , even-numbered layers: SiO 2 ) of the
The physical film thickness of each layer of the anti-reflection coating 10 (odd-numbered layers: SiO 2 , even-numbered layers: HfO 2 ) is as shown in FIG.
The
≪直線偏光における変換等≫
図48~50は、実施例4に係る図10~図12と同様の図である。
図48において、実施例4の光学多層膜8における波長355nmでの透過率は50%であり、波長355±5nmにおいて、透過率は10%から98%程度まで比例的に単調増加し、波長355+5nm以上で、透過率が100%に近い(96%以上である)状態が、波長373nm程度まで続いている。透過率特性は、入射する角度θの増加と共に短波長側へシフトする。そして、短波長側へシフトした場合の波長355nmでの透過率は、シフト量(角度θ)の増加と共に上昇していき、所定の角度θ以上で100%に近い状態となる。
<<Transformation of linearly polarized light, etc.>>
48 to 50 are similar to FIGS. 10 to 12 according to the fourth embodiment.
In Fig. 48, the transmittance of the
図51は、本発明の実施例4(直線偏光)に係る図13同様図である。
実施例4の光学多層膜8は、何れの方位角φにおいても、ビームBの断面強度分布の目標値(θmax=31.1°程度までのもの)に十分に追従している。
図52~図54は、本発明の実施例4(直線偏光)に係る図15~図17と同様の図である。但し、それぞれd=2に対応する点(2,0)、(2,22.5)、(2,45)、(2,67.5)、(2,90)に代えて、それぞれd=0.5に対応する点(0.5,0)、(0.5,22.5)、(0.5,45)、(0.5,67.5)、(0.5,90)におけるものが示され、同様に、それぞれd=4に対応する各点に代えてd=1.0に対応する各点におけるものが示され、又それぞれd=10に対応する各点に代えてd=2.5に対応する各点におけるものが示される。この点、後述する実施例4の円偏光においても同様である。
実施例4の光学多層膜8におけるs偏光とp偏光との透過率特性の差異は、十分に小さいため、実施例4の光学多層膜8を通過したビームBの断面強度分布は、十分に等方的である。
又、実施例4の位相差Δは、十分に小さいため、実施例4における楕円率kの変化は、十分に小さくなる。即ち、楕円率kは、図52~図54中ビームBの断面強度分布の中央部分(有効断面領域)に属するd=1.0mmで最大0.011であり、楕円率kの変換前に対する変換後の最大の変化量は0.011であり、直線偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で極めて精度の良い状態で維持される。
FIG. 51 is a view similar to FIG. 13 relating to Example 4 of the present invention (linearly polarized light).
The
52 to 54 are similar to Figs. 15 to 17 for Example 4 (linearly polarized light) of the present invention. However, instead of the points (2,0), (2,22.5), (2,45), (2,67.5), and (2,90) corresponding to d=2, the points (0.5,0), (0.5,22.5), (0.5,45), (0.5,67.5), and (0.5,90) corresponding to d=0.5 are shown, and similarly, instead of the points corresponding to d=4, the points corresponding to d=1.0 are shown, and instead of the points corresponding to d=10, the points corresponding to d=2.5 are shown. This is also true for the circularly polarized light of Example 4 described later.
Since the difference in transmittance characteristics between s-polarized light and p-polarized light in the
Furthermore, since the phase difference Δ in Example 4 is sufficiently small, the change in ellipticity k in Example 4 is sufficiently small. That is, the ellipticity k is a maximum of 0.011 at d=1.0 mm which belongs to the central portion (effective cross-sectional area) of the cross-sectional intensity distribution of beam B in Figures 52 to 54, the maximum change in ellipticity k after conversion from before conversion is 0.011, and the polarization state of linearly polarized beam B is maintained with extremely high precision before and after conversion, particularly in the central portion.
≪円偏光における変換等≫
図55~図58は、実施例4(円偏光)に係る図18~図21と同様の図である。
円偏光においても、実施例4の位相差Δが十分に小さいことにより、実施例4における楕円率kの変化は、十分に小さくなる。即ち、楕円率kは、図56~図58中ビームBの断面強度分布の中央部分(有効断面領域)に属するd=1.0mmで0.978であり、楕円率kの変換前に対する変換後の最大の変化量は0.022であり、円偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で極めて精度の良い状態で維持される。
<Conversion of circularly polarized light, etc.>
55 to 58 are similar to FIGS. 18 to 21 and relate to Example 4 (circular polarization).
Even in the case of circularly polarized light, the phase difference Δ in Example 4 is sufficiently small, and therefore the change in ellipticity k in Example 4 is sufficiently small. That is, the ellipticity k is 0.978 at d=1.0 mm which belongs to the central portion (effective cross-sectional area) of the cross-sectional intensity distribution of beam B in Figures 56 to 58, and the maximum change in ellipticity k after conversion from before conversion is 0.022, and the polarization state of circularly polarized beam B is maintained with extremely high precision before and after conversion, particularly in the central portion.
[実施例5:ドーナツ型]
≪構成等≫
本発明に係る実施例5として、上記第1形態におけるビームシェーパー1に類するものが形成された。実施例5の光学多層膜8は、フラットトップ裾切り型をドーナツ型に変換するものである。ドーナツ型は、フラットトップ裾切り型における強度が0以外でフラットとなった部分内に、強度が落ち込む中央強度低下部分を有するもので、ここでは光軸Lを中心として全幅2mm程度(光軸Lから±1mm程度)以内である円柱状部分で強度が0となり(穴部分)、その外側で光軸Lを中心として外径全幅2√(2ln2)σ以内で強度が一定となり(中央部分)、全幅2√(2ln2)σ外で強度が0となるものである。ドーナツ型では、穴部分を除く中央部分が、有効断面領域となる。ドーナツ型の断面強度分布を有するビームBは、例えば穴部分に相当する形状を有する微細な突起を加工する際に用いられる。尚、光学多層膜8は、フラットトップ裾有り型をドーナツ型に変換するもの等であっても良い。
実施例5における各種の値は、次の表5に示される通りである。
又、光学多層膜8の各層(奇数層:HfO2,偶数層:SiO2)の物理膜厚は、図59に示される通りである。光学多層膜8の層数は、実施例4より増えている。
実施例4の光学多層膜8は、波長355nmのビームB(Nd:YAGレーザー第3高調波)であって断面強度分布がフラットトップ裾切り型に調整されたもの対して設計されている。
反射防止膜10は、実施例4と同じである。
[Example 5: Donut type]
<Composition, etc.>
As a fifth embodiment of the present invention, a beam shaper similar to the
Various values in Example 5 are as shown in Table 5 below.
Moreover, the physical film thickness of each layer (odd-numbered layers: HfO 2 , even-numbered layers: SiO 2 ) of the
The
The
≪直線偏光における変換等≫
図60~図62は、実施例5に係る図10~図12と同様の図である。
実施例5の光学多層膜8における透過率特性は、波長約355nmまでの短波長域で透過率が0%あるいは0%に近く、波長約355nmから+2nmの狭い波長域で透過率が急激に100%近く(95%程度)まで上昇し、波長約355+2nmより長波長側で透過率が100%近くに維持されるようなものである。
<<Transformation of linearly polarized light, etc.>>
60 to 62 are similar to FIGS. 10 to 12 according to the fifth embodiment.
The transmittance characteristics of the
図63は、本発明の実施例5(直線偏光)に係る図13同様図である。
実施例5の光学多層膜8は、何れの方位角φにおいても、ビームBの断面強度分布の目標値に十分に追従している。厳密には、透過率を極めて狭い波長域内で0%近くから100%まで急激に上げるフィルターの構成は一般に困難であり、変換後のビームBの断面強度分布は、断面強度分布の目標値における垂直に近い透過率分布の部分に対して、多少のなまりが存在する。
図64~図65は、本発明の実施例5(直線偏光)に係る図52~図53と同様の図である。尚、実施例5において、距離d=3.0では、何れの方位角φにおいても変換前後で電場がなかったため、d=3.0に係る図(図54に相当する図)は、実施例5では省略される。この点、実施例5の円偏光の場合においても同様である。
実施例5の光学多層膜8では、光軸Lに近い距離d=0.5の各点において(図64)、変換前の電場ベクトルの軌道が変換後において縮小されている。かような縮小は、ドーナツ型の穴部分の形成の現れである。他方、実施例5の光学多層膜8では、光軸Lからやや離れた距離d=1.5の各点において(図65)、変換前の電場ベクトルの軌道が変換後においても比較的に維持されている。かような維持は、ドーナツ型の有効断面領域部分の形成の現れである。
実施例5の光学多層膜8におけるs偏光とp偏光との透過率特性の差異は、特に空間座標が±3mm以内の領域で十分に小さいため、実施例5の光学多層膜8を通過したビームBのドーナツ型の断面強度分布は、十分に等方的である。
又、実施例5の位相差Δは、十分に小さいため、実施例5における楕円率kの変化は、十分に小さくなる。即ち、楕円率kは、図64~図65中ビームBの断面強度分布の中央部分(有効断面領域)に属するd=1.5mmで最大0.021であり、楕円率kの変換前に対する変換後の最大の変化量は0.021であり、直線偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で極めて精度の良い状態で維持される。
FIG. 63 is a view similar to FIG. 13 relating to Example 5 of the present invention (linearly polarized light).
The
Figures 64 and 65 are similar to Figures 52 and 53 for Example 5 (linearly polarized light) of the present invention. In Example 5, when the distance d = 3.0, there was no electric field before and after conversion at any azimuth angle φ, so the diagram for d = 3.0 (corresponding to Figure 54) is omitted in Example 5. This is also true for the case of circularly polarized light in Example 5.
In the
The difference in transmittance characteristics between s-polarized light and p-polarized light in the
Furthermore, since the phase difference Δ in Example 5 is sufficiently small, the change in ellipticity k in Example 5 is sufficiently small. That is, the ellipticity k is a maximum of 0.021 at d=1.5 mm which belongs to the central portion (effective cross-sectional area) of the cross-sectional intensity distribution of beam B in Figures 64 and 65, and the maximum change in ellipticity k after conversion from before conversion is 0.021, and the polarization state of linearly polarized beam B is maintained with extremely high precision before and after conversion, particularly in the central portion.
≪円偏光における変換等≫
図66は、実施例5(円偏光)に係る図18同様図である。
図67~図68は、実施例5(円偏光)に係る図56~図57と同様の図である。
実施例5の光学多層膜8では、円偏光においても、光軸Lに近い距離d=0.5の各点において(図67)、変換前の電場ベクトルの軌道が変換後において縮小されており、又光軸Lからやや離れた距離d=1.5の各点において(図68)、変換前の電場ベクトルの軌道が変換後においても維持されている。
更に、円偏光においても、実施例5の位相差Δが十分に小さいことにより、実施例5における楕円率kの変化は、十分に小さくなる。即ち、楕円率kは、図67~図68中ビームBの断面強度分布の中央部分(有効断面領域)に属するd=1.5mmで0.958であり、楕円率kの変換前に対する変換後の最大の変化量は0.042であり、円偏光したビームBの偏光状態は、特に中央部分において、変換前後で極めて精度の良い状態で維持される。
<Conversion of circularly polarized light, etc.>
FIG. 66 is a view similar to FIG. 18 relating to Example 5 (circularly polarized light).
67-68 are similar to FIGS. 56-57 and relate to Example 5 (circularly polarized light).
In the
Furthermore, even in the case of circularly polarized light, the phase difference Δ in Example 5 is sufficiently small, and therefore the change in ellipticity k in Example 5 is sufficiently small. That is, the ellipticity k is 0.958 at d=1.5 mm which belongs to the central portion (effective cross-sectional area) of the cross-sectional intensity distribution of beam B in Figures 67 to 68, and the maximum change in ellipticity k after conversion from before conversion is 0.042, and the polarization state of circularly polarized beam B is maintained with extremely high precision before and after conversion, particularly in the central portion.
実施例5では、光学多層膜8に入射する前のビームBの断面強度分布は、フラットトップ型であり、光学多層膜8により変換されたビームBの断面強度分布は、ドーナツ型である。
よって、微小な突起を加工可能なドーナツ型のビームBが、製造容易で長寿命な光学薄膜フィルター4により実現される。
In the fifth embodiment, the cross-sectional intensity distribution of the beam B before it is incident on the
Therefore, a doughnut-shaped beam B capable of processing a minute protrusion can be realized by the optical
1,101,201,301・・ビームシェーパー、2,102,112,202,212,222,312・・レンズ、4・・光学薄膜フィルター、6・・基材、8・・光学多層膜、120,230・・ケース、124,334・・ピンホール板、B・・ビーム(光線)、PH・・ピンホール、R・・(基材6の)表面、R’・・(レンズ2の)表面、WO・・被加工物、θ・・角度(入射角度)、θmax・・(角度θの)最大値。 1, 101, 201, 301...beam shaper, 2, 102, 112, 202, 212, 222, 312...lens, 4...optical thin film filter, 6...substrate, 8...optical multilayer film, 120, 230...case, 124, 334...pinhole plate, B...beam (light ray), PH...pinhole, R...surface (of substrate 6), R'...surface (of lens 2), WO...workpiece, θ...angle (incident angle), θ max ...maximum value (of angle θ).
Claims (8)
前記基材の表面に形成された光学多層膜と、
を備えており、
前記光学多層膜は、干渉により、自身に入射させる光線の波長において、前記光線の入射角度に応じた透過率である入射角度依存透過率を有するものであり、前記入射角度依存透過率により、前記光学多層膜に屈折させて入射させた前記光線の断面強度分布を変換するものであり、
前記光学多層膜に入射する前の前記光線の電場の楕円率と、前記光学多層膜により断面強度分布が変換された前記光線の電場の楕円率との変化量である楕円率変化量が、0.5以下である
ことを特徴とする光学薄膜フィルター。 A substrate;
an optical multilayer film formed on a surface of the substrate;
Equipped with
the optical multilayer film has an incident angle-dependent transmittance, which is a transmittance according to an incident angle of a light beam at a wavelength of the light beam incident thereon, due to interference, and converts a cross-sectional intensity distribution of the light beam refracted and incident on the optical multilayer film by the incident angle-dependent transmittance ;
An ellipticity change amount, which is an amount of change between the ellipticity of the electric field of the light beam before it is incident on the optical multilayer film and the ellipticity of the electric field of the light beam whose cross-sectional intensity distribution has been converted by the optical multilayer film, is 0.5 or less.
1. An optical thin film filter comprising:
前記基材の表面に形成された光学多層膜と、
を備えており、
前記光学多層膜は、干渉により、自身に入射させる光線の波長において、前記光線の入射角度に応じた透過率である入射角度依存透過率を有するものであり、前記入射角度依存透過率により、前記光学多層膜に屈折させて入射させた前記光線の断面強度分布を変換するものであり、
前記光学多層膜に入射する前の前記光線の断面強度分布は、ガウシアン型であり、
前記光学多層膜により変換された前記光線の断面強度分布は、フラットトップ型である
ことを特徴とする光学薄膜フィルター。 A substrate;
an optical multilayer film formed on a surface of the substrate;
Equipped with
the optical multilayer film has an incident angle-dependent transmittance, which is a transmittance according to an incident angle of a light beam at a wavelength of the light beam incident thereon, due to interference, and converts a cross-sectional intensity distribution of the light beam refracted and incident on the optical multilayer film by the incident angle-dependent transmittance;
a cross-sectional intensity distribution of the light beam before it is incident on the optical multilayer film is Gaussian type;
An optical thin film filter, wherein the cross-sectional intensity distribution of the light beam converted by the optical multilayer film is a flat-top type.
前記基材の表面に形成された光学多層膜と、
を備えており、
前記光学多層膜は、干渉により、自身に入射させる光線の波長において、前記光線の入射角度に応じた透過率である入射角度依存透過率を有するものであり、前記入射角度依存透過率により、前記光学多層膜に屈折させて入射させた前記光線の断面強度分布を変換するものであり、
前記光学多層膜に入射する前の前記光線の断面強度分布は、フラットトップ型であり、
前記光学多層膜により変換された前記光線の断面強度分布は、ドーナツ型である
ことを特徴とする光学薄膜フィルター。 A substrate;
an optical multilayer film formed on a surface of the substrate;
Equipped with
the optical multilayer film has an incident angle-dependent transmittance, which is a transmittance according to an incident angle of a light beam at a wavelength of the light beam incident thereon, due to interference, and converts a cross-sectional intensity distribution of the light beam refracted and incident on the optical multilayer film by the incident angle-dependent transmittance;
a cross-sectional intensity distribution of the light beam before it is incident on the optical multilayer film is a flat-top type;
An optical thin film filter , characterized in that the cross-sectional intensity distribution of the light beam converted by the optical multilayer film is doughnut-shaped.
1以上のレンズと、
を備えており、
少なくとも1つの前記レンズは、前記光線を屈折して、前記光学薄膜フィルターに対し入射させる
ことを特徴とするビームシェーパー。 An optical thin film filter according to any one of claims 1 to 3 ;
One or more lenses;
Equipped with
A beam shaper, characterized in that at least one of the lenses refracts the light beam and makes it incident on the optical thin film filter.
ことを特徴とする請求項4に記載のビームシェーパー。 5. The beam shaper of claim 4 , wherein at least one of the optical thin film filter and the one or more lenses is housed in a case.
少なくとも1つの前記レンズは、前記ピンホールにおいて前記光線を合焦させる
ことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載のビームシェーパー。 a pinhole plate having a pinhole is provided upstream of the optical thin film filter,
6. A beam shaper according to claim 4 or claim 5 , wherein at least one of the lenses focuses the light beam at the pinhole.
ことを特徴とする請求項4ないし請求項6の何れかに記載のビームシェーパー。 7. The beam shaper according to claim 4 , wherein some or all of the plurality of lenses are arranged upstream of the light beam from the optical thin film filter and expand the diameter of the light beam.
ことを特徴とする請求項4ないし請求項7の何れかに記載のビームシェーパー。 8. The beam shaper according to claim 4 , wherein a single lens on which the optical multilayer film is formed is disposed in place of the optical thin film filter and one of the lenses.
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