(57)【要約】      （修正有）【課題】簡明な構成で、均質化された多数のレーザ光を出力可能な光源装置を提供する。【解決手段】光源装置ＬＳは、レーザ光を発生する２n個（図示する形態においてｎ＝３）の単位光源１１〜１８を備えた光源部１０と、一組のレーザ光を合波し均等に分割する合波分割器Ｃが２n-1個×ｎ段（同上、４個×３段）接続された合波分割部２０とを備え、２n個の単位光源から出力されたレーザ光を合波分割部２０により順次合波し分割して、２n本（同上、８本）のレーザ光を出力するように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生する２n個（ｎ≧２）の単位光源と、
一組のレーザ光を合波し均等に分割する合波分割器が２n-1個×ｎ段接続された合波分割部とを備え、
前記２n個の単位光源から出力されたレーザ光を前記合波分割部により順次合波し分割して、２n本のレーザ光を出力することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記２n個の単位光源は、発生するレーザ光の波長が異なる複数種類の単位光源からなることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記２n個の単位光源は、発生するレーザ光の波長が各々異なる２n種類の単位光源からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項４】
各前記単位光源はＤＦＢ半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記合波分割器は、溶融延伸型のファイバカプラからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記ファイバカプラは、シングルモードファイバにより形成されることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
前記合波分割器は、導波路からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記合波分割器が２n-1個×ｎ段接続された前記合波分割部は一体的に形成されることを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均質化された２n本のレーザ光を出力可能な光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
均質化された複数本のレーザ光を用い、計測や観察等を行う装置がある。例えば、ステージ等の位置状態を精密に計測する光学式のリニアスケールやロータリーエンコーダにおいては、ステージ等に設けられた同一または異なるスケールを複数の検出器からなるエンコーダにより検出し、各検出器から出力された検出信号に基づいてステージ等の位置や移動状態を計測する。（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００３】
また、ステージの移動距離が長い場合には、ステージ側のスケールを検出するエンコーダを本体側の異なる位置に複数設け、ステージの移動位置に応じたエンコーダで順次検出して、各エンコーダの検出器から出力された検出信号に基づいてステージの位置状態を計測するように構成される。
【０００４】
このような装置において、スケールを照明する照明光の光源は、一般的に各検出器ごとに設けられており、例えば可視領域の半導体レーザが広く用いられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−９９６８６号公報
【特許文献２】特開平５−１７２５８７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、近年の半導体露光装置や液晶露光装置、あるいはこれらの検査装置等、いわゆる超精密分野の計測において、スケール等を照明する照明光は、各検出器単位で波長や出力、パルス波形の安定性が求められるのみならず、複数の検出器相互間でばらつきがないこと、すなわち均一性が求められる。ところが、検出器ごとに個別の光源を用いた場合には、仮に各検出器単位で波長や出力、パルス波形の安定性を得られたとしても、複数の検出器相互間で高い均一性を得ることは極めて難しい。例えば、半導体レーザは、一般的に所定のスペクトル幅内でレーザ光を発生するが、その中心波長（輝度が高いスペクトル線）は個体差によって相違し、また各半導体レーザが配置される熱的環境によっても変化する。このような照明光の不均一性は位置計測における誤差となり、ひいてはステージ等の位置精度向上を妨げる要因になる。
【０００７】
このとき、検出器の光源を共通とし、単一の光源から出射したレーザ光を複数に分岐して各検出器に供給することが考えられる。しかし、単一の光源から出射したレーザ光を分岐すれば、分割数に応じて照明光のパワーが低下する。例えば、光源から出射したレーザ光を８カ所の検出器に供給する場合、各検出器に供給される照明光のパワーはもとのレーザ光のパワーの１／８に低下する。装置に配設される検出器の数が多いほど照明光のパワー低下は大きくなる。このため、仮に高出力の半導体レーザを用いたとしても均一な照明光が得られる分割数には限度がある。また、高出力の半導体レーザは出力に応じて発振波長のスペクトル幅が広く、中心波長の変動も大きくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡明な構成で、均質化された多数のレーザ光を出力可能な光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明を例示する態様の光源装置は、レーザ光を発生する２n個（ｎ≧２）の単位光源と、一組のレーザ光を合波し均等に分割する合波分割器が２n-1個×ｎ段接続された合波分割部とを備え、２n個の単位光源から出力されたレーザ光を合波分割部により順次合波し分割して、２n本のレーザ光を出力するように構成される。
【００１０】
なお、前記２n個の単位光源は、発生するレーザ光の波長が異なる複数種類の単位光源により構成することができる。また、これらの単位光源は、発生するレーザ光の波長が各々異なる２n種類の光源から構成することもできる。さらに、各単位光源はＤＦＢ半導体レーザとすることができる。
【００１１】
なお、前記合波分割器は、溶融延伸型のファイバカプラ用いることできる。この場合において、ファイバカプラはシングルモードファイバにより形成することができる。また、前記合波分割器は導波路とすることができ、この場合、合波分割器が２n-1個×ｎ段接続された合波分割部は一体的に構成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の態様として例示する光源装置では、２n個の単位光源から出射した２n本のレーザ光が、２n-1個×ｎ段の合波分割器が接続された合波分割部により順次合成され均等に分割され、２n本のレーザ光として出力される。このとき、光源装置から出力される２n本の出力光は、全てが各単位光源から出射したレーザ光（単位レーザ光）を１／２nずつ含む同一組成のレーザ光であり、かつ各出力光のパワーは、２n本の単位レーザ光のパワーを総和した全パワーの１／２n、すなわち基本的には、各単位光源の平均パワーと同等のパワーになる。そのため、本構成の光源装置によれば、光源装置から出力される２n本のレーザ光は、中心波長を含めてスペクトル幅や分布が均一すなわち均質な光であり、かつ各出力光のパワーは各単位光源の平均パワーと同等になる。
【００１３】
従って、本構成の光源装置によれば、２n個の単位光源と２n-1個×ｎ段の合波分割器が接続された合波分割部とからなる簡明な構成で、均質かつ所要のパワーを有する多数のレーザ光を出力可能な光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の適用例として示す光源装置の概要構成図である。
【図２】上記光源装置の作用を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明を適用した光源装置の一例として、８ch構成の光源装置ＬＳの概要構成を図１に示す。図示する光源装置ＬＳは、２nにおけるｎを３とした場合の構成例であり、８個の単位光源１１〜１８が設けられた光源部１０と、１２個の合波分割器Ｃ（Ｃ11〜Ｃ14，Ｃ21〜Ｃ24，Ｃ31〜Ｃ34）が接続された合波分割部２０とを有して構成される。
【００１６】
光源部１０は、各々レーザ光を発生する８個の単位光源１１〜１８を主体として構成される。単位光源１１〜１８は、この光源装置ＬＳから出力されるレーザ光を用いる機器の用途及び機能に応じて、適宜な波長（赤外〜紫外）、出力、波形（ＣＷ，パルス）のレーザ光を出力可能な光源を用いることができる。本実施形態では、出力光を超精密分野の計測における照明光として用いる場合を想定し、各単位光源で発生するレーザ光（単位レーザ光という）の波長を約７００ｎｍ、出力を１０ｍＷ、波形を１〜１００ＭＨｚ程度のパルス波形とする。
【００１７】
上記のような単位レーザ光を安定的に出力する単位光源１１〜１８として、光源装置ＬＳではＤＦＢ（Distributed  Feedback）半導体レーザを用いる。ＤＦＢ半導体レーザは、ペルチェ素子等を利用した温度調整器によって温度制御した状態で発振させることにより、狭帯域化された単一波長のレーザ光を安定的に発生させることができる。またＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を波形制御することにより任意強度かつ任意波形のレーザ光を発生させることができる。
【００１８】
この構成により、各単位光源から出力する単位レーザ光の波長を任意に設定することができる。例えば、単位光源１１〜１８から出力する単位レーザ光の波長を全て同一波長とすること、複数の異なる波長とすること、全てを異なる波長とすること等ができる。本実施形態においては、ＤＦＢ半導体レーザの動作温度を制御することにより、各単位光源１１〜１８の発振波長をΔλずつ異なるλ1〜λ8（例えばλ1＝７００ｎｍ、λ2＝７０２ｎｍ、λ3＝７０４ｎｍ、…、λ8＝７１４ｎｍ）とし、８種類の波長の単位レーザ光Ｌ1〜Ｌ8を出力する構成を例示する。
【００１９】
単位光源１１〜１８には、図示省略するパルス発生器から共通のクロック信号が入力されており、このクロック信号により単位光源１１〜１８を同期制御することにより、各単位光源から同一タイミングでパルス状の単位レーザ光Ｌ1〜Ｌ8が発生される。単位光源１１〜１８で発生した単位レーザ光Ｌ1〜Ｌ8は、各々シングルモードファイバにより導出されて光源部１０から出力され、合波分割部２０に入力される。なお、単位光源１１〜１８としては、出力光の用途に応じて種々の光源を用いることができ、例えばモノリシックの固体レーザやＦＢＧ（Fiber  Bragg  Grating）ファイバレーザ等が例示される。
【００２０】
合波分割部２０は、一組のレーザ光を合波し均等に分割する合波分割器Ｃが、１段当たり８個（２n-1個）で３段接続されて構成される。すなわち、本構成例の合波分割部２０は１２個の合波分割器Ｃ（Ｃ11〜Ｃ14，Ｃ21〜Ｃ24，Ｃ31〜Ｃ34）を主体として構成される。各合波分割器Ｃは、２つの入射ポートと２つの出射ポートとを有し、入射ポートに入射したレーザ光を均等に２分割して２つの出射ポートに出力する。このような合波分割器として、５０：５０の溶融延伸型のファイバカプラや導波路による光回路が例示される。本実施形態では、シングルモードファイバによる５０：５０の溶融延伸型のファイバカプラを用いた構成例を示す。第１段の４個の合波分割器をＣ11〜Ｃ14、第２段の４個の合波分割器をＣ21〜Ｃ24、第３段の４個の合波分割器をＣ31〜Ｃ34と表記する。
【００２１】
第１段の合波分割器Ｃ11〜Ｃ14は、光源部１０の各単位光源１１〜１８から出力された８本の単位レーザ光Ｌ1〜Ｌ8を、各々２本一組で合波し均等に分割する。合波分割器Ｃ11は、単位光源１１から出力された単位レーザ光Ｌ1と、単位光源１２から出力された単位レーザ光Ｌ2とを合波して均等に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ単位レーザ光Ｌ1及びＬ2の成分を均等に含む２成分のレーザ光を出力する。他の合波分割器Ｃ12〜Ｃ14についても同様であり、例えば合波分割器Ｃ13は、単位光源１５から出力された単位レーザ光Ｌ5と、単位光源１６から出力された単位レーザ光Ｌ6とを合波して均等に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ単位レーザ光Ｌ5及びＬ6の成分を均等に含む２成分のレーザ光を出力する。
【００２２】
第２段の合波分割器Ｃ21〜Ｃ24は、第１段の合波分割器Ｃ11〜Ｃ14から出力された８本のレーザ光を、各々２本一組で合波し均等に分割する。合波分割器Ｃ21は、合波分割器Ｃ11から出力された２成分のレーザ光と、合波分割器Ｃ12から出力された２成分のレーザ光とを合波して均等に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ両者の成分を均等に含む４成分のレーザ光を出力する。合波分割器Ｃ22〜Ｃ24についても同様であり、例えば合波分割器Ｃ23は、合波分割器Ｃ13から出力された２成分のレーザ光と、合波分割器Ｃ14から出力された２成分のレーザ光とを合波して均等に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ両者の成分を均等に含む４成分のレーザ光を出力する。
【００２３】
第３段の合波分割器Ｃ31〜Ｃ34は、第２段の合波分割器Ｃ21〜Ｃ24から出力された８本のレーザ光を、各々２本一組で合波し均等に分割する。合波分割器Ｃ31は、合波分割器Ｃ21から出力された４成分のレーザ光と、このレーザ光に含まれない成分からなる合波分割器Ｃ23から出力された４成分のレーザ光とを合波して均等に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ両者の成分を均等に含む８成分のレーザ光を出力する。合波分割器Ｃ32〜Ｃ34についても同様であり、例えば合波分割器Ｃ33は、合波分割器Ｃ22から出力された４成分のレーザ光と、このレーザ光に含まれない成分からなる合波分割器Ｃ24から出力された４成分のレーザ光とを合波して均等に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ両者の成分を均等に含む８成分のレーザ光を出力する。
【００２４】
第３段の合波分割器Ｃ31〜Ｃ34の各出力ポートにはシングルモードの導光用ファイバが接続されており、これら８本の導光用ファイバにより各レーザ光が合波分割部２０から出力される。このような構成の光源装置ＬＳにおいては、合波分割部２０から出力される８本のレーザ光は、各々単位光源１１〜１８から出力された単位レーザ光Ｌ1〜Ｌ8の成分を１／８ずつ均等に含む均質なレーザ光である。
【００２５】
以下、光源装置ＬＳの作用について、説明簡明化のため光源装置を４ch構成（ｎ＝２）とした場合の概要構成図である図２を参照しながら、もう少し詳細に説明する。４ch構成の光源装置は４個の単位光源１１〜１４が設けられた光源部１０と、４個の合波分割器Ｃすなわち第１段の合波分割器Ｃ11，Ｃ12及び第２段の合波分割器Ｃ21，Ｃ22が接続された合波分割部２０とを有して構成される。なお、図２では合波分割器Ｃ（Ｃ11，Ｃ12，Ｃ21，Ｃ22）を黒丸のドットで示している。
【００２６】
第１段の合波分割器Ｃ11及びＣ12は、各単位光源１１〜１４から出力された４本の単位レーザ光Ｌ1〜Ｌ4を、各々２本一組で合波し均等に分割する。合波分割器Ｃ11の２つの入力ポートには、単位光源１１から出力された波長λ1、出力１０ｍＷの単位レーザ光Ｌ1と、単位光源１２から出力された波長λ2、出力１０ｍＷの単位レーザ光Ｌ2とが入射する。合波分割器Ｃ11は、これらの単位レーザ光Ｌ1及びＬ2を合波して５０：５０に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ単位レーザ光Ｌ1の成分と単位レーザ光Ｌ2の成分とを５ｍＷずつ含む２成分１０ｍＷのレーザ光（Ｌ1＋Ｌ2）／２を出力する。
【００２７】
合波分割器Ｃ12の２つの入力ポートには、単位光源１３から出力された波長λ3、出力１０ｍＷの単位レーザ光Ｌ3と、単位光源１４から出力された波長λ4、出力１０ｍＷの単位レーザ光Ｌ4とが入射する。合波分割器Ｃ12は、これらの単位レーザ光Ｌ3及びＬ4を合波して５０：５０に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ単位レーザ光Ｌ3の成分と単位レーザ光Ｌ4の成分とを５ｍＷずつ含む２成分１０ｍＷのレーザ光（Ｌ3＋Ｌ4）／２を出力する。
【００２８】
第２段の合波分割器Ｃ21及びＣ22は、第１段の合波分割器Ｃ11，Ｃ12から出力された４本のレーザ光を、各々２本一組で合波し均等に分割する。合波分割器Ｃ21は、合波分割器Ｃ11の一方の出力ポートに出力された２成分１０ｍＷのレーザ光（Ｌ1＋Ｌ2）／２と、合波分割器Ｃ12の一方の出力ポートに出力された２成分１０ｍＷのレーザ光（Ｌ3＋Ｌ4）／２とを合波して５０：５０に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ４つの単位レーザ光Ｌ1〜Ｌ4の成分を２．５ｍＷずつ含む４成分１０ｍＷのレーザ光（Ｌ1＋Ｌ2＋Ｌ3＋Ｌ4）／４を出力する。
【００２９】
合波分割器Ｃ22についても同様であり、合波分割器Ｃ22は、合波分割器Ｃ11の他方の出力ポートに出力された２成分１０ｍＷのレーザ光（Ｌ1＋Ｌ2）／２と、合波分割器Ｃ12の他方の出力ポートに出力された２成分１０ｍＷのレーザ光（Ｌ3＋Ｌ4）／２とを合波して５０：５０に分割し、２つの出力ポートからそれぞれ４つの単位レーザ光Ｌ1〜Ｌ4の成分を２．５ｍＷずつ含む４成分１０ｍＷのレーザ光（Ｌ1＋Ｌ2＋Ｌ3＋Ｌ4）／４を出力する。
【００３０】
このため、合波分割部２０から出力される４本のレーザ光は、各々単位光源１１〜１４から出力された単位レーザ光Ｌ1〜Ｌ4の成分を１／４ずつ均等に含む、出力１０ｍＷの均質なレーザ光が出力される。以上は、説明簡明化のため４ch構成の光源装置について説明したが、前述した８ch構成の光源装置ＬＳや、１６ch，３２chあるいは６４ch等のようにチャネル数を増加した場合においても同様である。
【００３１】
このような構成の光源装置によれば、光源装置から出力される２n本のレーザ光（出力光）は完全に同一の波長成分を持つ均質な光であり、かつ各chの出力光は、光路上の微小な損失を含めても各単位光源のパワーとほぼ同等のパワーを保つことができる。
【００３２】
また、２n個の単位光源を波長が異なる複数種類の単位光源とすることにより、出力光の時間的なコヒーレンスを低下させることができる。特に、本構成例に示したように発振波長が微小波長Δλずつ異なる２n種類の単位光源とすることにより、出力光全体のスペクトル幅を所定幅に抑制しつつ、中心波長が安定した低コヒーレンスの出力光を得ることができる。これにより、出力光を超精密分野のスケール照明に用いる場合等に問題となるスペックルの発生を効果的に抑制することができ、簡明な構成で精密な計測が可能になる。なお、実施形態では単位光源間の波長差Δλを２ｎｍとした例を示したが、波長差Δλは出力光の用途に基づいて要求されるスペクトル幅やコヒーレント長に応じて適宜に設定することができる。
【００３３】
導光用のファイバや溶融延伸型ファイバカプラのファイバは、マルチモードファイバを用いることも可能であるが、シングルモードファイバを用いることにより、パワー密度が高い高輝度の出力光を得ることができる。
【００３４】
また、合波分割器Ｃ（Ｃ11〜Ｃ14，Ｃ21〜Ｃ24，Ｃ31〜Ｃ34）として溶融延伸型ファイバカプラを用いた構成を例示した。これにより、安価でありかつ必要数を接続する簡明な構成で上記のような効果が得られる光源装置が提供される。なお、合波分割器Ｃとしては、導波路を用いることも可能であり、基板上に２n-1×ｎ段の合波分割回路を形成して合波分割部を一体的に構成するようにしても良い。このような構成によれば光源装置をコンパクトに形成することができる。
【００３５】
以上では、出力光の用途をエンコーダのスケール照明と想定し、単位レーザ光の波長を約７００ｎｍの可視光、パワーを１０ｍＷ、波形をパルスとした場合について例示したが、これまでの説明から明らかなように、各条件は出力光の用途等に応じていずれも任意に設定できる。また、第ｎ段の合波分割器から出力された２n本のレーザ光をそのまま出力する場合を示したが、２n本のレーザ光を適宜合波しあるいは分割しても良く、また各出力光をファイバ増幅器等により増幅して出力するように構成しても良い。
【符号の説明】
【００３６】
ＬＳ  光源装置
１０  光源部
１１〜１８  単位光源
２０  合波分割部
Ｃ（Ｃ11〜Ｃ14，Ｃ21〜Ｃ24，Ｃ31〜Ｃ34）  合波分割器
Ｃ11〜Ｃ14  第１段の合波分割器
Ｃ21〜Ｃ24  第２段の合波分割器
Ｃ31〜Ｃ34  第３段の合波分割器
Ｌ1〜Ｌ8  単位レーザ光
【図１】
2015118959.tif 000003
【図２】
2015118959.tif 000004