(57)【要約】【課題】評価対象のビームのビーム径を問わずに、ビーム径、波面収差、発散角、光強度を安価且つ高精度に評価可能なビーム品質評価方法を提供すること。【解決手段】本発明は、回折像の光強度分布と、ビーム径誤差を０とし、０波長以上の各波面収差をパラメータとして生成された各光強度分布とを比較して波面収差を算出するステップと光源から回折光学素子までの各距離において結像された回折像の各光強度分布に基づいて、算出した波面収差を用いて発散角を算出するステップと、ビーム径の設計値、算出した波面収差及び発散角を用いて生成された光強度分布と、回折像の光強度分布とを比較して出射直後のビーム径を算出するステップと、回折光学素子のパワー変換効率と回折像の光強度分布から算出された回折光の光強度とに基づいて光強度を算出するステップと、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
2019211353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
品質評価対象のビームを出射する光源と、
前記光源から出力された前記ビームを回折して回折光を出射する回折光学素子と、
前記回折光学素子から出射された前記回折光によって回折像を結像するスクリーンと、
前記結像された回折像の光強度分布を取得する処理装置と、
を含むシステムにおいて、前記ビームの品質を評価する方法であって、
前記処理装置が、前記結像された回折像の光強度分布と、前記光源におけるビーム径の設計値に対するビーム径誤差を０とし、０波長以上の各波面収差をパラメータとしてシミュレーションすることによって生成された各光強度分布と、を比較することにより、前記ビームの波面収差を算出する第１ステップと、
前記処理装置が、前記光源から前記回折光学素子までの距離を変更しながら各距離において結像された回折像の各光強度分布に基づいて、前記算出した波面収差を用いて前記ビームの発散角を算出する第２ステップと、
前記処理装置が、前記ビーム径の設計値、前記算出した波面収差及び前記算出した発散角を用いてシミュレーションすることによって生成された光強度分布と、前記結像された回折像の光強度分布と、を比較することにより、前記光源から出射された直後の前記ビームのビーム径を算出する第３ステップと、
前記処理装置が、前記回折光学素子の設計時に予め算出された回折光学素子のパワー変換効率と、前記結像された回折像の光強度分布から算出された前記回折光の光強度とに基づいて、前記ビームの光強度を算出する第４ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記回折光学素子は、透過型回折光学素子又は反射型回折光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１ステップでは、前記回折光学素子として前記ビーム径誤差の許容範囲が前記ビーム径の設計値の５％より大きい回折光学素子を用い、
前記第２ステップでは、前記回折光学素子として前記ビーム径誤差の許容範囲が前記ビーム径の設計値の５％以下の回折光学素子を用い、
前記第３ステップでは、前記回折光学素子として前記ビーム径誤差の許容範囲が前記ビーム径の設計値の５％以下の回折光学素子を用い、
前記第４ステップでは、前記回折光学素子として前記ビーム径誤差の許容範囲が前記ビーム径の設計値の５％より大きい回折光学素子を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム品質評価方法に関し、より詳細には、様々な用途で使用される光学系で最終的に生成されるビームの品質、具体的にはビーム径、波面収差、発散角、光強度を安価且つ高精度に評価する方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
光デバイスを設計する際、目的のデバイスに入力する光の品質、具体的にはビーム径、収差、発散角、強度等のビーム品質を決めて設計する場合と、ビーム品質を変えることができないためビーム品質に合わせた光デバイスを設計する場合と、が考えられる。どちらの場合においても、そのビーム品質を正確に知ることが重要である。
【０００３】
例えば、ビーム径が数百μｍから数ｍｍ程度であれば、ビーム径はセンサのサイズが数ｍｍ角程度のカメラやビームプロファイラによって計測することが可能であり、ビーム径を光源からの距離を変えながら計測することによって、発散角を求めることも可能である。また、ビームの発散角を計測する方法としてコリメーションチェッカーを用いることもできる。波面収差はシャックハルトマン型波面センサで計測可能である。しかも、これらの計測装置は比較的安価で購入することができる。
【０００４】
しかしながら、ビーム径が例えば数十ｍｍ程度など比較的大きくとなると、上述した計測装置の価格は１桁以上大きくなる場合が多い。
【０００５】
このような高額な計測装置を用いずに数十ｍｍ程度のビーム径を計測する方法として、ナイフエッジやパワーメータにピンホールを取り付け、光の進行方向に垂直な面内にこれらを移動させて各位置での強度分布を取得する方法がある。しかし、これには、ナイフエッジやパワーメータ等を精度よく移動させるための高額な移動機構が必要となる。
【０００６】
また、ビーム径が数十ｍｍ程度の場合に波面収差を計測する方法として、干渉計を用いたり、あるいは上述したシャックハルトマン型波面センサを用いることが考えられるる。しかし、波面収差を計測可能な高精度の干渉計は、高価であり且つ光学系に組み込むのが困難である。また、シャックハルトマン型波面センサで数十ｍｍのビーム径に対応できるものの価格は１千万円程度であることが多く非常に高価である。
【０００７】
その代替案として、小型のシャックハルトマン型波面センサを移動させて各位置で計測した波面を繋げることも原理的には可能であるが、実際はセンサの移動精度や位置が変わることが原因となり、ビームがセンサへ入射する角度が変わるため、高精度に波面収差を計測するのは容易ではない（例えば非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】駿河精機株式会社、［online］、［平成３０年５月２９日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://jpn.surugaseiki.com/Products/series/%E5%85%89%E3%82%BB%E3%83%B3%E3%82%B5/%E6%B3%A2%E9%9D%A2%E3%82%BB%E3%83%B3%E3%82%B5/S-cube/H800/pkey:S-cube＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような課題を解決するためのものであり、ビーム径を問わずに用いることが可能であり、評価対象のビームのビーム径、波面収差、発散角、光強度を安価且つ高精度に評価する方法を実現することが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係るビーム品質評価方法は、品質評価対象のビームを出射する光源と、前記光源から出力された前記ビームを回折して回折光を出射する回折光学素子と、前記回折光学素子から出射された前記回折光によって回折像を結像するスクリーンと、前記結像された回折像の光強度分布を取得する処理装置と、を含むシステムにおいて、前記ビームの品質を評価する方法であって、前記処理装置が、前記結像された回折像の光強度分布と、前記光源におけるビーム径の設計値に対するビーム径誤差を０とし、０波長以上の各波面収差をパラメータとしてシミュレーションすることによって生成された各光強度分布と、を比較することにより、前記ビームの波面収差を算出する第１ステップと、前記処理装置が、前記光源から前記回折光学素子までの距離を変更しながら各距離において結像された回折像の各光強度分布に基づいて、前記算出した波面収差を用いて前記ビームの発散角を算出する第２ステップと、前記処理装置が、前記ビーム径の設計値、前記算出した波面収差及び前記算出した発散角を用いてシミュレーションすることによって生成された光強度分布と、前記結像された回折像の光強度分布と、を比較することにより、前記光源から出射された直後の前記ビームのビーム径を算出する第３ステップと、前記処理装置が、前記回折光学素子の設計時に予め算出された回折光学素子のパワー変換効率と、前記結像された回折像の光強度分布から算出された前記回折光の光強度とに基づいて、前記ビームの光強度を算出する第４ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様に係るビーム品質評価方法によると、前記回折光学素子は、透過型回折光学素子又は反射型回折光学素子であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の態様に係るビーム品質評価方法によると、前記第１ステップでは、前記回折光学素子として前記ビーム径誤差の許容範囲が前記ビーム径の設計値の５％より大きい回折光学素子を用い、前記第２ステップでは、前記回折光学素子として前記ビーム径誤差の許容範囲が前記ビーム径の設計値の５％以下の回折光学素子を用い、前記第３ステップでは、前記回折光学素子として前記ビーム径誤差の許容範囲が前記ビーム径の設計値の５％以下の回折光学素子を用い、前記第４ステップでは、前記回折光学素子として前記ビーム径誤差の許容範囲が前記ビーム径の設計値の５％より大きい回折光学素子を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一態様によると、ビーム径を問わずに用いることが可能であり、評価対象のビームのビーム径、波面収差、発散角、光強度を安価且つ高精度に評価する方法を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一態様に係るビーム品質評価方法におけるシステム構成を例示する図である。
【図２】図２（ａ）は透過型の回折光学素子の構成を例示する図であり、図２（ｂ）は透過型の回折光学素子による理想的な回折像を示し、図２（ｃ）は透過型の回折光学素子による理想的な回折像の光強度分布を示す。
【図３】図３（ａ）は反射型の回折光学素子の構成を例示する図であり、図３（ｂ）は反射型の回折光学素子による理想的な回折像を示す図であり、図３（ｃ）は反射型の回折光学素子による理想的な回折像の光強度分布を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、ビーム径誤差に対する許容範囲が大きい回折光学素子において、３波長分の波面収差を持つビームが回折光学素子に入射したときの回折像を示し、図４（ｂ）はその光強度分布を示す図である。
【図５】図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、ビーム径誤差に対する許容範囲が大きい回折光学素子に、波面収差がゼロ波長、１波長および３波長のビームが入射した場合に生じる回折像の光強度分布の変化の計算結果例をそれぞれ示す図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、ビーム径誤差の許容範囲が小さい回折光学素子に、ビーム径誤差を有するビームが入射した場合における回折像及びその光強度分布をそれぞれ示す図である。
【図７】図７（ａ）乃至図７（ｃ）は、ビーム径誤差に対する許容範囲が小さい透過型の回折光学素子において、ビーム径誤差がないビームが入射した場合と、所望のビーム径から１０％及び−１０％のビーム径誤差を持つビームが入射した場合の光強度分布をそれぞれ示す図である。
【図８】図８は、ビーム径誤差の許容範囲が大きい回折光学素子に入射するビーム径と回折光の光強度との相関のシミュレーションの例を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一態様に係るビーム品質評価方法の手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の一態様に係るビーム品質評価方法におけるシステム構成を例示する図である。図１には、品質評価対象のビームを出力する光源１０と、品質評価対象のビームを回折して回折光を出射する回折光学素子２０と、回折光学素子２０から出射された回折光による回折像を結像するスクリーン３０と、本発明に係るビーム品質評価のための各処理を実行する処理装置４０と、を備えたシステムが示されている。処理装置４０は、回折像読取部４１と、演算処理部４２と、記憶部４３と、表示部４４と、を含む。
【００１６】
回折像読取部４１は、スクリーン３０上に結像された回折像を読み取ることができる。演算処理部４２は、各種処理を実行するための演算処理を行うプロセッサ等とすることができる。演算処理部４２は、回折像読取部４１において読み取られた回折像に基づいて、その光強度分布を取得することができる。記憶部４３は、各種処理を実行するためのプログラムを格納したプログラム格納領域と、各種データを格納するデータ格納領域とを有するメモリ等とすることができる。表示部４４は、演算処理部４２による各種処理の結果として生成された各種情報を表示するディスプレイ等とすることができる。
【００１７】
図２（ａ）は透過型の回折光学素子の構成を例示する図であり、図３（ａ）は反射型の回折光学素子の構成を例示する図である。回折光学素子には、図２（ａ）に示すように、入射したビームをそのまま進行方向に回折する透過型の回折光学素子２１と、図３（ａ）に示すように、入射したビームをその進行方向に対して角度を持つ方向に反射して回折する反射型の回折光学素子２２とがある。
【００１８】
図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、透過型及び反射型の回折光学素子による理想的な回折像をそれぞれ示す。図２（ｃ）及び図３（ｃ）は、透過型及び反射型の回折光学素子による理想的な回折像の光強度分布をそれぞれ示す。図２（ａ）及び図３（ａ）中のｚ軸をビームの進行方向とすると、図２（ａ）に示す透過型の回折光学素子２１では図２（ｂ）に示すようにｘ−ｙ平面上にスクリーン３０が配置され、図３（ａ）に示す反射型の回折光学素子では図３（ｂ）に示すようにｙ−ｚ平面上にスクリーン３０が配置され、それぞれ回折像が得られる。
【００１９】
ここで、理想的な回折像とは、光源１０において設計されたビーム径に対するビーム径誤差（以下、「ビーム径誤差」とする）と波面収差とを有さないビームが回折光学素子２０に入射した場合をシミュレーションすることによって生成される回折像をいう。回折像及びその光強度分布は、回折光学素子に入射する入射ビームのビーム径及び入射ビームが有する波面収差に影響を受けるため、入射ビームのビーム径誤差が許容範囲を超える場合や波面収差を有する場合、その回折像は理想的な回折像に対して歪んだ形状となる。
【００２０】
回折光学素子２０について説明する。回折光学素子とは、回折を利用して、入射したビームを所望の強度分布を持つビーム形状に変換する素子である。回折光学素子は、入射したビームを所望の強度分布を持つ回折光に変換し、スクリーン３０上に回折像を結像させることができる。
【００２１】
回折光学素子２０は、表面の微細なパターン形状により光の回折現象を制御することができる。回折光学素子２０は、所望の回折像を実現するための回折光学素子基板に施す微細加工を演算処理部４２においてシミュレーションによって設計することによって、その設計を基に作製される。回折光学素子２０においては、設計によって、入射するビームの直径にある程度のビーム径誤差があっても回折像が変化しないような、ビーム径誤差に対して許容範囲が大きい回折光学素子や、数％のビーム径誤差があるだけで回折像が歪むような、ビーム径誤差に対して許容範囲が小さい回折光学素子が作製可能である。また、演算処理部４２は、この設計した回折光学素子２０について、任意の波面収差やビーム径誤差を有するビームが入射した際の回折像の歪みをシミュレーションすることが可能である。
【００２２】
ここで、本発明において、ビーム径誤差に対する許容範囲が大きい回折光学素子とは、例えば、ビーム径誤差の許容範囲がビーム径の設計値の５％より大きい回折光学素子とすることができる。ビーム径誤差に対する許容範囲が小さい回折光学素子とは、例えば、ビーム径誤差の許容範囲がビーム径の設計値の５％以下の回折光学素子とすることができる。ビーム径誤差が許容範囲内である場合、ビーム半径ｒによらず回折効率が一定となって回折像は歪まず、ビーム径誤差が許容範囲外である場合、ビーム半径ｒによって回折効率が変化するため、その回折像は歪む。
【００２３】
あるいは、入射ビームの光強度分布がガウス分布であって、ビーム半径ｒを光強度最大値となるビーム中心から光強度が光強度最大値の１／ｅ2倍まで低下する位置までの距離、つまりビーム中心から光強度が（光強度最大値）／ｅ2となる位置までの距離とし、回折光学素子の微細構造が施されている範囲の短辺の長さをＬと定義したとき、ビーム半径ｒによらず回折効率が一定となるビーム径２ｒの誤差許容範囲０＜２ｒ≦Ｌ×０．９０の条件を満たす回折光学素子をビーム径誤差の許容範囲が大きい回折素子としてもよい。
【００２４】
以下、本発明の一態様に係るビーム品質評価方法を説明する。
【００２５】
まず、本発明の一態様に係る入射ビームの波面収差の評価方法について説明する。ここで、図４（ａ）は、ビーム径誤差に対する許容範囲が大きい透過型の回折光学素子において、３波長分の波面収差を持つビームが回折光学素子に入射したときの回折像を例示し、図４（ｂ）はｘ＝０におけるｙ軸方向に関する光強度分布を示す。
【００２６】
入射ビームの波面収差を評価する際には、ビーム径誤差に対する許容範囲が大きい回折光学素子を用いる。ビーム径誤差に対する許容範囲が小さい回折光学素子では、ビーム径誤差にその回折像が大きく影響を受けるため、理想的な回折像と評価対象のビームを回折光学素子に入射させることによりスクリーン３０上に結像された回折像（以下、「結像された回折像」とする）の差がビーム径誤差に起因するのか、波面収差に起因するのかの判断が難しい場合があるためである。したがって、波面収差を評価する場合には、ビーム径誤差に対する許容範囲が大きい回折光学素子を用いることにより、ビーム径誤差による影響を切り離して波面収差を評価する。
【００２７】
ビーム径誤差に対する許容範囲が大きい回折光学素子に例えば３波長分の波面収差を持つビームが入射した場合、図４（ａ）に示すように回折像の角の部分が緩やかになって回折像に歪みが生じ、図４（ｂ）に示すように回折像の光強度分布が図２（ｃ）に示すような理想的な回折像の光強度分布に対して変化する。
【００２８】
また、図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、ビーム径誤差に対する許容範囲が大きい透過型の回折光学素子に、波面収差がゼロ波長、１波長および３波長のビームが入射した場合に生じる回折像のｘ＝０におけるｙ軸方向に関する光強度分布の変化の計算結果例をそれぞれ示す図である。図５（ａ）乃至図５（ｃ）に示されるように、波面収差が大きくなるにつれて、光強度分布の変化も大きくなる。
【００２９】
この波面収差による光強度分布の変化は、前述したように、シミュレーションによって予め予測可能である。したがって、ビーム径誤差を０とし、０波長以上の各波面収差をパラメータとしてシミュレーションすることによって生成された各光強度分布と、結像された回折像の光強度分布とを比較することにより、入射ビームの波面収差を評価することが可能である。
【００３０】
具体的には、ビーム径誤差及び波面収差を有さない場合についてシミュレーションされた光強度分布と結像された回折像の光強度分布とを光強度分布上の各点で比較して第１の標準偏差を算出する。また、０波長より大きい波面収差をパラメータとしてシミュレーションにより生成した各光強度分布とビーム径誤差及び波面収差を有さない場合についてシミュレーションされた光強度分布とにより、複数の第２の標準偏差を算出する。複数の第２の標準偏差のうち、第１の標準偏差との差分が所定の第１の閾値以下（例えば差分が第１の標準偏差の５％以下）となった第２の標準偏差に対応する波面収差を評価対象のビームの波面収差として決定する。以上によって、評価対象のビームの波面収差を評価することが可能となる。
【００３１】
次に、本発明の一態様に係る入射ビームの発散角の評価方法について説明する。評価対象のビームを出力する光源１０から回折光学素子２０までの距離ｌ＝ｌ1、ｌ2、ｌ3、・・・、ｌｋ、・・・、ｌnについて（ｋ、ｎは１≦ｋ≦ｎの自然数）、回折像及び光強度分布をそれぞれ取得する。
【００３２】
下記のビーム径の評価方法において図５及び図６を参照して後述するように、異なるビーム径のビームが回折光学素子に入射した場合、それらによって生じる回折像及び光強度分布もそれぞれ異なる。評価対象のビームが発散角を持つとき、その発散角に応じて各距離で、回折光学素子への入射時のビーム径が異なるため、計測される回折像の歪みも異なる。
【００３３】
回折光学素子への入射時のビーム径は、その光強度分布からシミュレーションにより算出することができる。具体的には、上記波面収差の評価方法により、その入射ビームの波面収差は既知であるため、上記の評価した波面収差を用いてビーム径をパラメータとして光強度分布をシミュレーションし、光強度分布上の各点で、結像された回折像の光強度分布全体の各積分値とシミュレーションした光強度分布全体の積分値との差分をとる。シミュレーションした光強度分布において、その差分が結像された回折像の光強度分布全体の積分値の±１％程度以下となる光強度分布、好ましくは積分値が一致する光強度分布に対応するビーム径を、評価対象のビームが回折光学素子２０へ入射した時のビーム径として決定する。
【００３４】
発散角Ｄ［ｄｅｇ］の計算は、距離ｌnでのビーム径をｒnとすると、以下の（式１）を用いて行うことができる。
Ｄ＝｛（ｒn／２）−（ｒｋ／２）｝×１８０／｛π（ｌn−ｌｋ）｝      （式１）
【００３５】
上記（式１）において、精度よく発散角Ｄを算出するためには、様々な距離ｌ及びそのビーム半径ｒの組み合わせを用いて複数個の発散角を算出し、その平均を発散角Ｄとすることが好ましい。
【００３６】
本発明の一態様に係る入射ビームの発散角の評価方法においては、ビーム径にその回折像が影響を受けやすくするように、ビーム径誤差の許容範囲が小さい回折光学素子を用いて回折像を取得することが好適である。
【００３７】
次に、本発明の一態様に係る入射ビーム径の評価方法について説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、ビーム径誤差の許容範囲が小さい透過型の回折光学素子にビーム径誤差を有するビームが入射した場合における回折像及びのｘ＝０におけるｙ軸方向に関する光強度分布をそれぞれ示す。
【００３８】
本発明の一態様に係る入射ビーム径の評価方法においては、ビーム径の誤差にその回折像が影響を受けやすくするように、ビーム径誤差の許容範囲が小さい回折光学素子を用いて回折像を取得することが好適である。
【００３９】
評価対象のビームの実際のビーム径がビーム径誤差を有する場合、評価対象のビームが回折光学素子に入射すると、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、その回折像に歪みが生じ、その光強度分布が理想的な回折像の光強度分布に対して変化する。
【００４０】
また、図７（ａ）乃至図７（ｃ）は、ビーム径誤差に対する許容範囲が小さい透過型の回折光学素子において、ビーム径誤差がないビームが入射した場合と、所望のビーム径から１０％及び−１０％のビーム径誤差を持つビームが入射した場合の光強度分布をそれぞれ示す図である。
【００４１】
前述したビームの波面収差の評価方法及び発散角の評価方法により入射ビームの波面収差及び発散角を予め計測したことで、評価対象のビームの波面収差及び発散角は既知である。そのため、ビーム径の設計値と評価対象のビームの波面収差及び発散角とを用いて、評価対象のビームが光源１０から出射した直後のビーム径に対応する光強度分布もシミュレーションすることが可能である。よって、結像された回折像の光強度分布とシミュレーションした光強度分布とを比較することにより、評価対象のビームが光源１０から出射した直後のビーム径を評価することが可能である。
【００４２】
具体的には、ビーム径の設計値と上記の評価した波面収差及び発散角を用いて光強度分布をシミュレーションし、光強度分布上の各点で、結像された回折像の光強度分布全体の積分値とシミュレーションした光強度分布全体の積分値との第１の差分を算出する。次に、光強度分布上の各点について、第１の差分の絶対値が所定の閾値以下であるかどうかを判定する。ここで、所定の閾値は、例えば、結像された回折像の光強度分布において対応する点の光強度の積分値の１％とすることができる。
【００４３】
光強度分布上の全ての点で第１の差分の絶対値が所定の閾値以下である旨の判定がされた場合、そのビーム径の設計値を評価対象のビームが光源１０から出射した直後のビーム径として決定する。
【００４４】
光強度分布上の何れかの点で第１の差分の絶対値が所定の閾値より大きい旨の判定がされた場合、結像された回折像の光強度分布における各光強度とシミュレーションした光強度分布における各光強度との第２の差分を算出し、シミュレーションした光強度分布に第２の差分を加算する。次に、上記評価した波面収差及び発散角を用いてビーム径をパラメータとして光強度分布をシミュレーションし、当該シミュレーションした光強度分布の積分値と上記加算後の光強度分布の積分値との第３の差分が上記所定の閾値以下となったときにおける当該シミュレーションした光強度分布のビーム径を、評価対象のビームが光源１０から出射した直後のビーム径として決定する。
【００４５】
本発明の一態様に係る入射ビーム径の評価方法によると、波面収差及び発散角の影響を切り分けて評価対象のビーム出射時のビーム径を評価することができる。
【００４６】
最後に、入射ビームの光強度の評価方法を説明する。
【００４７】
回折光の光強度を入射ビームの光強度で除した値、いわゆる回折光学素子のパワー変換効率は、回折光学素子の構造で決まるため、回折光学素子の設計時に予め算出することが可能である。回折光学素子の光強度の変換効率は、以下の（式２）で表される。
（光強度の変換効率）＝（回折光の光強度）／（入射ビームの光強度）    （式２）
【００４８】
（式２）より、入射ビームの光強度は以下の（式３）で表される。
（入射ビームの光強度）＝（回折光の光強度）／（光強度の変換効率）    （式３）
【００４９】
したがって、結像された回折像の光強度分布から回折光の光強度を計測することにより、上記（式３）から入射ビームの光強度を算出することができる。
【００５０】
図８は、ビーム径誤差の許容範囲が大きい回折光学素子に入射するビーム径と回折光の光強度との相関のシミュレーションの例を示す図である。図８では、入射するビームの光強度はガウス分布を有し、また、ビーム径によらず入射ビームの光強度分布の最大値を１に統一している。一般的に、ビーム半径ｒはガウス分布をもつ光強度分布の最大値から光強度が１／ｅ2まで減少する距離で定義される。したがって、ガウス分布の最大値を１に統一した時、ビーム径２ｒの入射光エネルギーはビーム半径ｒの２乗に比例する。このことから、ビーム径が異なっていてもそのビーム径誤差の許容範囲内であれば回折光の光強度の変換効率は変わらないので、回折光の光強度はビーム径の２次関数となる。これは変換効率が２次関数の２次の項の係数であるともいえる。しかしながら、ビーム径誤差がこの回折素子の許容範囲外となると、図８の回折光の光強度が２次関数から外れる。
【００５１】
したがって、ビーム径誤差の許容範囲が大きい光学素子について、その許容値内のビーム径であれば、図８のように２次関数に乗るので上述の（式３）より、入射ビームの光強度が算出可能である。
【００５２】
以上の理由から、入射ビームの光強度の評価方法では、ビーム径誤差の許容範囲が大きい回折光学素子を用いることが好ましい。ただし、入射ビームの進行方向とそれに対する回折光学素子の角度を精密に制御することが可能な場合は、ビーム径誤差の許容範囲が小さい回折光学素子を用いてもよい。
【００５３】
図９は、本発明の一態様に係るビーム品質評価方法の手順を示す図である。図９に示す各ステップは、処理装置４０の演算処理部４２によって実行される。
【００５４】
図９に示すように、ステップＳ９０１で、ビーム径誤差の許容範囲が大きい回折光学素子を用いて結像された回折像の光強度分布とシミュレーションによって生成された各光強度分布とを比較することにより、入射ビームの波面収差を算出する。ステップＳ９０２で、ビーム径誤差の許容範囲が小さい回折光学素子を用いて光源１０から回折光学素子２０までの距離を変更しながら各距離において結像された回折像の各光強度分布に基づいて、ステップＳ９０１で算出した波面収差を用いて入射ビームの発散角を算出する。ステップＳ９０３で、ビーム径の設計値、ステップＳ９０１で算出した波面収差及びステップＳ９０２で算出した発散角を用いてシミュレーションすることによって生成された光強度分布と、ビーム径誤差の許容範囲が小さい回折光学素子を用いて結像された回折像の光強度分布と、を比較することにより、光源１０から出射された直後のビームのビーム径を算出する。ステップＳ９０４で、回折光学素子の設計時に予め算出された回折光学素子のパワー変換効率と、結像された回折像の光強度分布から算出された回折光の光強度とに基づいて、光源１０から出射されたビームの光強度を算出する。
【００５５】
以上により、本発明の一態様に係るビーム品質評価方法によると、ビーム径を問わずに用いることが可能であり、評価対象のビームのビーム径、波面収差、発散角、光強度を安価且つ高精度に評価することが可能となる。
【００５６】
なお、上記では、光強度分布の比較は光強度分布上の各点について行ったが、光強度分布上の複数の任意の点について比較するようにしてもよい。
【００５７】
（実施例１）
出射直後のビーム径４ｍｍに設計したファイバーコリメータ（光源１０）から出射するビームの品質を評価するため、理想的な回折像として図３（ｃ）に示すようなトップハット型に結像するように設計した１ｍｍ角の反射型回折光学素子２２を用いて、前述した手順に従い、ファイバーコリメータから出射されるビームの波面収差、ファイバーコリメータから出射直後のビーム径、発散角、光強度を計測した。その結果、ビーム径４．１ｍｍ、波面収差３分の１波長、発散角０．０５°、入射ビームパワー３０ｍＷであった。
【００５８】
従来のシャックハルトマン型波面センサを用いる方法では、シャックハルトマン型波面センサの移動精度やその構造上、ビームがセンサへ入射する角度が変わるため、センサへの入射角を正確に知ることが困難であった。しかし、本発明の実施例１に係る方法では、反射型回折光学素子２２を用いるため、反射型回折光学素子２２の裏面で入射ビームを反射させてファイバーコリメータに戻した後に、反射型回折光学素子２２を１８０°回転させて反射型回折光学素子２２の表の面に入射ビームを入射させる。それにより、０．１°以下の精度で入射ビームを反射型回折光学素子２２に垂直に入射させることができ、この垂直に入射した状態を基準にして入射ビームの進行方向と反射型回折光学素子２２の反射角を０．１°以下の精度で調整することができる。そのため、本発明の実施例１に係る方法によると、波面センサを用いる従来の場合よりも高精度のビーム品質評価が可能となった。
【００５９】
（実施例２）
出射直後のビーム径３０ｍｍに設計したファイバーコリメータ（光源１０）から出射するビームの品質を評価するため、理想的な回折像として図２（ｃ）に示すトップハット型に結像する４ｍｍ角の透過型回折光学素子２１を用いて、前述した手順に従い、ファイバーコリメータから出射されるビームの波面収差、ファイバーコリメータから出射直後のビーム径、発散角、光強度を計測した。その結果、ビーム径３１ｍｍ、波面収差１０分の１波長、発散角０．０５°、入射ビームパワー５０ｍＷであった。
【００６０】
従来の方法では、ビーム径が大きいため、高額な計測装置と移動機構が必要であった。しかし、本発明によると、回折光学素子を用いることで数ｍｍのビーム径を計測可能なカメラまたはビームプロファイラとパワーメータが利用でき、高額な装置を用いる必要がなくなるため、評価装置のコストを変えずにビーム品質を評価できた。
【符号の説明】
【００６１】
光源  １０
回折光学素子  ２０
透過型回折光学素子  ２１
反射型回折光学素子  ２２
スクリーン  ３０
処理装置  ４０
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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