(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームの強度プロファイルを生成する方法であって、前記レーザビームは光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）に衝突し、その局所透過属性または局所反射属性は、局所照明強度に非線形的に依存し、前記ＯＡＳＬＭの透過属性または反射属性は飽和範囲を有し、前記飽和範囲において局所透過強度または局所反射強度は局所入射強度とは実質的に無関係であり、そして前記飽和範囲が作業範囲として選択されることを特徴とする方法。
【請求項２】
形成されるレーザビームの強度は、前記ビームを拡張することで、かつ／または光学フィルタにより、前記ＯＡＳＬＭの飽和範囲に適応することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
ビーム拡張目的のために、前記ＯＡＳＬＭが内に配置される光線の光路に光学撮像系が挿入されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記光学撮像系は、機械的または電気的に調節可能または制御可能なズーム系として設計された２つのテレスコープ撮像系（１、２、５、６）を包含し、これにより、前記ビーム拡張を変えることが可能であり、そして、強度における変化に適応可能であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記ＯＡＳＬＭは液晶変調器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記ＯＡＳＬＭは個々のゾーンに分割され、前記個々のゾーンは、前記ＯＡＳＬＭの前記局所透過属性および／または局所反射属性を変化させるために、別個のゾーンとして電気的に駆動可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
レーザビームの強度プロファイルを生成する装置であって、局所透過属性または局所反射属性が非線形的に局所照明強度に依存する光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）と、レーザビームを空間的に拡張することが可能な少なくとも１つのテレスコープ撮像系とを備え、前記ＯＡＳＬＭの透過属性または反射属性は飽和範囲を有し、前記飽和範囲において局所透過強度または局所反射強度は局所入射強度とは実質的に無関係であり、そして前記飽和範囲が作業範囲として選択されることを特徴とする装置。
【請求項８】
前記ＯＡＳＬＭは液晶変調器であることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記ＯＡＳＬＭは個々のゾーンに分割され、前記個々のゾーンは、前記ＯＡＳＬＭの前記局所透過属性および／または局所反射属性を変化させるために、別個のゾーンとして電気的に駆動可能であることを特徴とする請求項７または８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームの強度プロファイルを形成する（形作る）ための、特に、均質な強度プロファイルを生成するための方法および装置、ならびにレーザビームの強度プロファイルを形成するための、光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）の使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光の物理的属性は、従来の光源の物理的属性とは根本的に異なる。レーザ光はコヒーレントであり、有限であっても小さな開口角を有する光ビームとして生成することができる。このようにビームの集中（concentration）が狭いと、レーザ光の波面が理想的な平面波に近づくため、照明および撮像目的に特に有利である。これらは、非常に容易に球面波面に変換され、高度に解像力のある回折限界集束に利用することができる。
【０００３】
レーザビームの１つの欠点は、光が共振器において生成される様式により決定される、ガウス特性である。ビームに対して横方向の光の強度分布は、ガウスのベル曲線の形状を有する。これは、強度がビームの中央において最大であり、辺縁に向かって指数関数的に低下することを意味する。
【０００４】
これは、平坦なフォトマスクの照明を必要とする画像処理および投影技術において特に不利である。しかし、光のあたっている表面を可能な限り均一に照明することが極めて重要である干渉法においても、欠点である。このような均一性は、ガウスの強度プロファイルと連動する場合には、もたらされない。組織の加熱に関係する医療用途またはレーザ溶接等材料処理でも同様に、レーザビームの全幅または被照明表面にわたって均一な加熱が要求される。このように均一な加熱は、ガウス形状、したがって例えばガウスのエネルギ蓄積の照明と連動する場合には達成することができない。この理由のため、光ビームの断面プロファイルは、上記適用面積について、可能な限り方形であるべきである。空間的な強度プロファイルは、特定の幅にわたって均質、すなわち多かれ少なかれ一定であるべきである。これを作用させるため、実際に、ビームを拡張し、外側領域をマスクし、多少均質な内側のビーム領域のみで作業する。しかし、これは、相当な強度損失につながる。
【０００５】
ユーザは、実際のレーザ系、（すなわち）共振器における光増幅媒体に手が届かないため、方形プロファイルへのビームの形成は、レーザの外部で行わなければならない。この目的のため、辺縁よりも中央においてより積極的にレーザビームを減衰し、それによってビームプロファイルのベル形状を略方形のプロファイルに平坦化する光フィルタ、いわゆる「ブルズアイ」フィルタが知られている。多くの場合、こういったフィルタは、多少の反射コーティング例えば金属を真空メッキでコーティングした透明板、例えばガラス板で形成される。所望のビームプロファイルは、局所依存性光密度、すなわち局所透過属性および局所反射属性を適宜選択することで、生成される。こういったフィルタは静的であるため、固定（一定）の既知の強度プロファイルを有する特定のレーザについてのみにしか用いることができない。例えば、変動または経年変化の発現により、レーザがプロファイルを変えると、レーザデータにもはや適合しなくなるため、望ましくないことに、フィルタは、プロファイルの形状を変更する。この種の反射フィルタに関連する別の欠点は、不均一に反射されたレーザ光は、レーザに対して反応性作用（reactive effect）を有し、安定性を劣化させうることである。さらに、反射フィルタの代わりに、ビームの形成にホログラフィックフィルタを用いることも一般に知られている（I. Gur他：Diffraction limited domain flat-top generator; Opt. Communications 145, 237 (1998)）。こういったフィルタもまた静的であり、レーザビームプロファイルにおける時間関連変化に応答しない。また、方形プロファイルが、ホログラフィック素子の撮像平面においてのみ生成されるということにも、問題がある。
【０００６】
【発明の解決しようとする課題】
したがって、本発明の根本的な目的は、あらゆるすべての初期強度プロファイルから、特にガウスビームプロファイルから、可能な限り均質な方形ビームプロファイルを形成することであり、形成されたビームプロファイルが、入射強度プロファイルおよび光強度における変動に関して略安定であるよう意図される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
レーザビームの強度プロファイルを形成するため、特に均質な強度プロファイルを生成するための方法であって、局所透過属性または局所反射属性が非線形的に局所照明強度に依存する光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）にレーザ光が衝突する方法によって、目的が達成される。
【０００８】
本発明による、レーザビームの強度プロファイルを形成するため、特に均質な強度プロファイルを生成するための装置は、局所透過属性または局所反射属性が非線形的に局所照明強度に依存する光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）と、レーザビームを空間的に拡張することが可能な少なくとも１つのテレスコープ撮像系と、を備える。
【０００９】
さらに、レーザビームの強度プロファイルを形成するため、特に均質な強度プロファイルを生成するために、光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）を使用することで、目的が達成される。
【００１０】
本発明は、ビームフォーマ、すなわちビームを形成する方法であって、形成された強度プロファイルが、局所照明強度に依存する光学属性を有するアクティブなまたは適応性の光学素子の使用を通して、元の強度プロファイルにおける変化に関して安定している方法を提供する。特に、局所透過性が局所照明強度（の関数として）に伴って変化する光学素子が用いられる。当初の強度分布における変動とは略無関係な画定されたビームプロファイルが自動的に生成される。原理上は、これは、外部影響をさらに何等制御することなく行われる。この理由により、本方法および本ビームフォーマをそれぞれ用いて、あらゆるすべてのレーザ系に用いることが可能であり、また、状況を克服するには、わずかな程度適応する必要があるだけである。
【００１１】
本発明によれば、光学的に非線形な素子は、光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）または液晶光値である。均質な（方形）レーザビームプロファイルを生成するには、これらを飽和範囲（領域）において駆動することが好ましく、そうすると、局所透過強度が、局所照明強度とは無関係になる。
【００１２】
例えば、光導電レイヤと、電気光学電圧感応レイヤとから形成される光アドレス型空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）は、「Spatial Light Modulators; OSA - Technical Digest ISBN 155752-494-7 Washington 1997」からわかる。局所照射に応答して、光導電体における電圧が局所的に降伏し、電気光学レイヤに移動する。これは、局所ベースで電気光学レイヤの透過属性または反射属性を変化させ、そうしてここで、電気光学レイヤは照射を光学的に示す。光導電レイヤは、入射光の波長に敏感でなければならない。電気光学レイヤは、例えば、広範なスペクトル範囲内で光変調器属性を有する液晶である。光屈折性の水晶またはポリマー等の特定の材料が、感光性および電圧感応性レイヤの属性を結びつける（Spatial Light Modulators; OSA - Technical Digest ISBN 155752-494-7 Washington 1997, M. Petrov他：Photorefractive Crystals, Berlin 1991）。
【００１３】
本発明によれば、非線形光学属性を有する液晶が、ＯＡＳＬＭにおいて用いられる。ＯＡＳＬＭは、例えば、ネマチックまたはヘリカルスメクチック液晶をベースとし、後者は、１０2から１０3Ｈｚの動作周波数を有するため、ネマチック液晶をベースとする素子よりも、出力プロファイル変化に対する高速な応答が促進される（切換時間は、１０-2秒の範囲である）。こういった液晶の変調属性は、非線形的に印加された電圧に、したがって光導電体上の局所照明強度に依存する。
【００１４】
この種のＯＡＳＬＭの典型的な透過属性は、照明強度が低い場合では、照明強度と透過強度の間の線形関係により、ならびに飽和範囲（領域）への移行により、具現される。ここで、透過強度は、照明強度とは略無関係である。強度がより高い場合、透過強度は再度、照明強度により重く依存しうる。
【００１５】
上述したＯＡＳＬＭの属性は、特に、高い光強度を低強度よりも積極的に減衰できるようにする。このようにして、中央におけるガウスビームの強度は、辺縁領域と比較して抑制され、透過強度は、中央において平坦なプラトーを有する方形形状に近づく。
【００１６】
本発明の有利なさらなる改良は、（構築すべき）パターン描画、好ましくは個々のゾーン特に光学点（ピクセル）に解像して、好ましくは個々に駆動可能なＯＡＳＬＭレイヤを提供する。これは、付近の画素（ピクセル）間のクロストークを低減する。最後に、これによって、当初の強度プロファイルを対象として、ピクセル毎の変調器における電気的介入、特に局所透過属性の適応が可能になる。形作られたビームプロファイルを測定し、公称形態から、特に方形形状からの偏差について検査することで、個々のゾーンの駆動を有利に統制することができる。フィードバックパスを経由して、局所偏差の大きさを、ＯＡＳＬＭのゾーンまたは画素（ピクセル）の透過属性に適応するためのベースとして用いる。
【００１７】
ＯＡＳＬＭの飽和領域において作業するため、ビームを拡張することで、かつ／またはＯＡＳＬＭの飽和領域において光学フィルタを用いることで、形作るレーザビームの強度を適応させることが好ましい。ビーム拡張目的のため、光学撮像系が、ＯＡＳＬＭがその中に配置される光線の光路に挿入されることが好ましい。光学撮像系は、好ましくは機械的または電気的に調節可能または制御可能なズーム系として設計される、２つのテレスコープ撮像系を包含することが好ましい。これにより、ビーム拡張を変化させることが可能になるため、レーザの強度変動により、またはレーザの交換により、強度における変化を常に補償することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明により用いられる、ＯＡＳＬＭの典型的な透過属性を概略的に示し、入射強度はｘ軸に、透過強度がｙ軸に描画される。強度が低い場合、ＯＡＳＬＭは、実質的に線形の透過特性を有する。例えば、入射照射に対して本質的に透明である。より高い入射強度の場合、透過強度は、実質的に入射強度とは無関係であり、この飽和範囲は、ビーム形成の作業範囲として選択される。形成される入射レーザビームの強度は、濾波またはビームの拡張により、この作業範囲に適応させられる。この文脈において、ビーム拡張の利点は、ＯＡＳＬＭを一旦通過すると、光を再度集束（集める）ことができ、そのため総計強度の損失が最小になることである。
【００１９】
ＯＡＳＬＭを用いて、本発明によりビームを形成するための３つのセットアップを図２ａ〜図２ｃに示す。図２ａは、ＯＡＳＬＭが２つのカプラテレスコープ１、２の間で、光線のレーザの経路に挿入された場合のセットアップを示す。テレスコープ１、２はそれぞれ、ｆ1＋ｆ2およびｆ1’＋ｆ2’という距離にそれぞれ配置された、焦点距離ｆ1、ｆ2、およびｆ1’、ｆ2’をそれぞれ有する２枚のレンズを備える。テレスコープはビーム拡張に用いられ、レーザビーム中央における強度を図１による特性のプラトー領域と一致（合致）するポイントまで低減する。平坦化されたビームプロファイルを有するレーザビームは、第２のテレスコープ２から右に出る。ビームを同時に拡張する必要がある場合、右側のテレスコープ２は、左側のテレスコープ１よりも低い倍率でなければならない。
【００２０】
特定の場合、例えば、レーザが一旦光ファイバと結合する場合には、レーザ強度はすでにＯＡＳＬＭに最適に適応していることが可能である。予め拡張をまったく行わずに、光は、図２ｂに示すように、ＯＡＳＬＭに直接伝えられる。次に、ファイバ３からの光は、ビームフォーマＯＡＳＬＭに直接入り、ビームフォーマＯＡＳＬＭは、ファイバ３と光学的に接触することができる。この場合、オイルを用いて屈折率に適応することで、ＯＡＳＬＭへの移行中に被る反射損を最小に保持することができる。この特定の実施形態の利点は、ＯＡＳＬＭが特に小型の構造を有することができることである。
【００２１】
レーザ強度における強度の変動を経験している場合、または異なるタイプのレーザについて同じビームフォーマを用いるよう意図される場合、図２ａに示す固定倍率を有するテレスコープの代わりに、２つのズームテレスコープ５、６を接続することが推薦される。これについては、図２ｃに概略的に示す。この場合、ビーム拡張を変化させることができ、かつ所与の電気的に調整されたズームテレスコープも制御可能である。
【００２２】
本発明は、多くの多様な産業用途を有する。特に画像処理および投影技術と共に作業する場合、干渉法ならびにレーザの使用が要求される材料処理において、特にレーザ光による可能な限り均一な表面照明が極めて重要な用途における採用が、有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＯＡＳＬＭの典型的な透過属性である。
【図２】  ＯＡＳＬＭを使用した、本発明によるビームを形成するための３つのセットアップである。
【図１】
0004546684.tif 000002
【図２】
0004546684.tif 000003