(57)【要約】新たな方法が、強度分布を成形し、周期的回折光学素子（７０４）を用いて空間的に部分的にコヒーレントな光源によって放射されるビームの品質を向上するために導入される。周期的回折素子は、強い構造的干渉作用のために本発明に記載される意味で空間的にコヒーレントな光照射野を成形することには適していない。しかしながらマルチモード光源によって放射される光照射野の部分的空間的コヒーレンスはこれらの影響を抑制する。本発明は、光源（７０３）から有限の距離において、または遠視野においてレーザ、発光ダイオードまたは光ファイバによって放射される強度分布の成形に適用することが可能である。本発明は、特に、高出力エキシマレーザ、半導体レーザ、共振空洞発光ダイオードまたはレーザまたは発光ダイオードのアレイから放射されるビーム（７０２，７０５）の成形および品質向上に有利である。
2004536350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から有限の距離において、または遠視野において、空間的に部分的にコヒーレントな光照射野の強度分布を制御する方法において、素子が入射光照射野の伝播方向に直角な１方向または２方向において周期性を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
レーザ、発光ダイオードまたは光ファイバからのマルチモードビームの強度分布を、元の光ビームの伝播方向に垂直な平面内で成形することに適用可能であることを特徴とする請求項１記載の素子。
【請求項３】
入射ビームが素子領域内に完全に適合した場合に、ビーム伝播方向に垂直な平面における変換が成形されたビームに本質的な影響を与えないことを特徴とする請求項１および２記載の素子。
【請求項４】
マルチモードレーザビームの急激な強度変動を平均化させ、パルス形状の再現性を向上することが可能であることを特徴とする請求項１および２記載の素子。
【請求項５】
マルチモードレーザ、発光ダイオードおよびマルチモードファイバによって放射される照射野を、前記伝播方向に垂直な平面であって、遠視野に存在していてもよい、または光源から有限の距離に存在していてもよい平面における境界内で、一様なまたは他の強度分布に成形することが可能であることを特徴とする請求項１および２記載の素子。
【請求項６】
相互に相関のないマルチモードレーザ、発光ダイオードおよびマルチモードファイバのアレイによって放射される照射野を、前記伝播方向に垂直な平面における境界内で、一様な強度または他の形状に変換することが可能であることを特徴とする請求項１および２記載の素子。
【請求項７】
半球物体の一様な照射を実現することが可能であることを特徴とする請求項１および２記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、マルチモードレーザおよび他の空間的にコヒーレントな光源によって放射される照射野の強度分布の成形および品質向上に関する。
【０００２】
パルスエキシマレーザを含む工業において通常使用される多くの高出力レーザは、多数の相互に相関のない横キャビティモードから成る光を放射する。このような光源によって放射された光は、通常のヘリウム−ネオンレーザまたは半導体ダイオードレーザとは異なり、空間的に部分的にコヒーレントである。したがって、マルチモードレーザは、空間的に部分的にコヒーレントな光の主光源とみなすことができる（F. Gori, Opt. Commun. 34, 301 (1980); A. Starikov ja E. Wolf, J. Opt. Soc. Am. 72, 923 (1982); S. Lavi, R. Prochaska and E. Keren, Appl. Opt. 27, 3696 (1988)）。
【０００３】
伝播方向に垂直な平面に交差するレーザビームの強度分布は、ほぼ全てのレーザの工業的用途において重要な特性である。たとえば、パルスエキシマレーザのビーム形状は典型的に理想からかけ離れている。すなわち著しい強度変動を観察することができ、該ビームは必ずしも回転対称ではなく強度の楕円であり、強度分布はパルス間で変化する。
【０００４】
典型的に、いつもではないが、マルチモードレーザの遠視野分布は、良好な近似に対して、シングルモードレーザの遠視野分布と同様なガウス分布形状を有する。しかしながら基本的な相違は、マルチモードレーザが回折限界からかけ離れている、すなわちその広がりが同様の波長および初期サイズを有するシングルモードビームの広がりよりも大きいことである。また伝播しているマルチモード高出力レーザビームは、高品質シングルモードレーザビームにおいては見られない強い局部的な強度変動をしばしば示す。
【０００５】
ガウス強度分布は常に理想的であるとは限らない。多くのレーザ用途において、ある用途では、伝播方向に垂直な平面において、円形または四角形などの所定の領域内で一様な強度分布が好ましい。たとえば、四角形状ビームは四角形画素から成るパターンのレーザビームにおいて望ましく、一方、円形状一様ビームは異なる材料のレーザ穿孔において有用である。他の形状も同様に有用である。すなわちレーザ核融合実験において、異なる方向から到達したビームによって球体が照射され、最適な場合において、各ビームが半球を一様に照射すべきである。これは、中心から周縁に向かって余弦法則に従って成長し、最終的には急激に零に降下する強度分布を有する円形レーザを必要とする。
【０００６】
高出力端面発光半導体レーザから放射されるビームもまた、多数の横モードからしばしば成る。該ビームのこれらのレーザの特別な特徴は、発光導波路の方向に空間的に部分的にコヒーレントであるが、反対方向には（ほぼ）コヒーレントであることである。典型的に、ビーム品質は導波路の方向には乏しい。すなわち強い局部的な発振が観察され、それが除去されることが望まれる。
【０００７】
純粋誘導放出に基づかない高輝度半導体光源もまた、開発中である。一例としては、共振空洞発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）であり、それはレーザと発光ダイオード（ＬＥＤ）との中間のものである。放射された放射線は多数のコヒーレントキャビティモードから成り、重畳照射野は全体的にインコヒーレントであるか、準均質である。このような光源が収斂レンズの前方焦平面に配置されるとき、部分的にコヒーレントな準平行光が得られるが、たとえば遠視野における強度分布は理想的ではない。非常に多くの場合、遠視野（像平面）強度分布がほぼ光源表面の像であるようにビームがレンズによって平行にされる（結像される）。レンズ口径が主照射野の角スペクトルにおける高い空間周波数を分離することが意味されるであろう。したがって低域濾波された像が得られ、それは通常所望の形状を有していない。またマルチモード光ファイバの端面から放射されたビームは、空間的に部分的にコヒーレントな照射野であるが、他に成形が要求される。
【０００８】
特に半導体光源を用いて、高い光出力を得る場合、単一光源を、個別の相互に相関のない光源（レーザまたはＬＥＤ）の１次元または２次元配列に置換することが通例である。この場合において、たとえ一様に照射された領域が好まれたとしても、光点の配列はレンズの像平面内に現れる。
【０００９】
遠視野において、または光源からいくらかの有限の距離においてコヒーレント光ビームの強度分布を成形する作業は、原則として、旧来の屈折光学を用いてなされる。すなわち非球面屈折面を光源の前方に配置し、目標平面におけるエネルギ分布が所望の形状を有するように表面形状が最適化される（P. W. Rhodes and D. L. Shealy, Appl. Opt. 19, 3545 (1980)）。得られた表面は回転対称であり、たとえばダイヤモンド旋削技術によって作成される。屈折面が回転対称でない場合、現在の技術を用いたその作成は困難である。一方、たとえ精度よく表面を作成できたとしても、素子の機能は入射強度分布の形状、および入射ビームと素子との光軸調整の両方に敏感なままである（図１）。この理由は、表面形状が幾何光学に基づいて最適されるということであり、それは、素子面における強度分布の局部的な変化が観察面における強度分布の直接的な局所効果を有するということを意味する。
【００１０】
回折光学（J. Turunen and F. Wyrowski, eds., Diffractive Optics for Industrial and Commercial Applications (Wiley-VCH, Berlin, 1997)、以下、“Diffractive Optics”という）は、多くのコヒーレントレーザビーム成形問題に対する優れた解決手段であることを証明してきた。すなわち元々のガウス強度プロフィールが、遠視野におけるまたは有限の距離におけるほとんど任意の（たとえば一様なまたは輪郭強調された）強度分布に、位相、振幅またはその両方を調節する表面微細構造の全体的に平坦な要素をビーム経路上に挿入することによって変換可能である（“Diffractive Optics”第６章）。回折光学は、解決手段に上述の回転非対称な強度分布を実現することも提供する。すなわち微細構造がマイクロリソグラフィ技術によって作成されるので、微細構造の特定の形状は作成の観点からは重要ではない。それにもかかわらず、素子の光学機能は非球面レンズの光学機能に類似しているので、入射強度分布の変動に対する出力プロフィールの感受性または光軸の調整に伴う課題はなくならない。回折光学において、微細構造にいくつかの制御された散乱を含めることによって、これらの誤差の影響を低減することができるが、代償として変換効率を低減させてしまう（“Diffractive Optics”第６章）。
【００１１】
従来の回折ビーム成形素子の設計の出発点は、完全な空間コヒーレンスを仮定することである（W. B. Veldkamp ja C. J. Kastner, Appl. Opt. 21, 879 (1982); C.-Y. Han, Y. Ishii ja K. Murata, Appl. Opt. 22, 3644 (1982); M. T. Eisman, A. M. Tai ja J. N. Cederquist, Appl. Opt. 28, 2641 (1989); N. Roberts, Appl. Opt. 28, 31 (1989)）。たとえレーザがこの仮定を完全に満たさなくても、いくつかの縦モードが存在していても本質的に１つの横モードにおける放射線を放射する（すなわち放射線が完全には単色ではない）すべてのレーザに対して充分である。しかしながら、２以上の横モードが同時に存在する場合、完全な空間的コヒーレンスの仮定はできない。この場合、上述の先行技術の解決手段は、必ずしもうまくいくとは限らず、ビーム形状の変動および調整公差に関する問題が確実に残る。
【００１２】
米国特許第４４１０２３７号明細書は、充分にコヒーレントなレーザビームを成形することに関する先行技術を示している。仮定された回折構造は周期性を有していない。米国特許第６１５７７５６号明細書は、充分にコヒーレントなレーザビームを大きな発散角度を有するレーザ線に成形する先行技術を示している。ファイバグレーティングは周期性を有するが、微細構造ではなく、その動作は部分コヒーレンスに依存しない。
【００１３】
米国特許第４７９０６２７号明細書は、レーザ核融合実験において空間的にインコヒーレントな広帯域レーザビームを成形するための方法を開示している。主要な目的は、形状変化吸収装置およびパターン投影を用いてレーザシステムの収差を低減することである。米国特許第４５２１０７５号明細書は、本質的に同様な問題に関しているが、空間的にコヒーレントな広帯域ビームを、広帯域ではあるが本質的に空間的にインコヒーレントなビームに変換するためにエシュロン格子を必要とする方法を開示している。
【００１４】
本発明は、回折光学（“Diffractive Optics”）を用いてマルチモード光学場の強度分布を成形する方法を開示している。本発明は、本質的に周期性を有する回折素子と、以前に問題とみなされた光の特性におけるマルチモードビームの部分的空間的コヒーレンスの使用とに基づく。
【００１５】
本発明は、先行技術の上述の問題を解決する。変換された強度分布の形状が入射ビームに関して横調整とは無関係であり、設計において仮定された形状からの入射ビームの合理的な逸脱とは無関係であることを特徴とする。部分的空間的コヒーレンスが、以下に記載されるように採用される。
【００１６】
２つの相互に充分に相関を有するビーム（たとえば１つのレーザビームを分割することによって得られたビーム）が重なる場合、その複素振幅が合計される。強度分布は干渉パターンである。すなわちビームが等しい強度である場合、明るい最大値と零強度の最小値とを有する縞模様が観察される。一方、２つの相互に相関のないビーム（たとえば２つの異なるレーザからのビーム）が重なる場合、その強度分布は合計され、干渉を生じない。光学コヒーレンス理論の観点から、これら２つの場合は極端な場合であり、このことはよく知られている。マルチモード光源によって放射される光はそれらのいずれにも該当しない。すなわちマルチモードビームが２つの部分に分割され、その後再結合されると、干渉パターンが観察されるが、モードの数が増加し最小値が零でない強度を有すると、縞模様の視認性が低下する。本発明において、本発明者は、干渉させるために空間的に部分的にコヒーレントな光のこの限られた能力を用い、マルチモード光ビームを成形するのに適用する。主要な着想は、入射照射野の部分コヒーレンスが、マルチモードビーム成形において、入射ビームを複数のビームに分割する周期的回折素子の使用を容易にすることである。この発見は、ある意味では、２つのビームの干渉に関する上述の観察の延長と考えることができる。
【００１７】
多くのマルチモードレーザによって放射されるビームが、いわゆるガウス型シェルモデル（Gaussian Schell model）を用いて、適切な近似に特徴付けられ得ることが知られている。ガウス型シェルモデル光源の相関を述べるクロススペクトル密度関数（L. Mandel and E. Wolf, Coherence and Quantum Optics (Cambridge University Press, Cambridge, 1995）は以下の形式を有する。
【００１８】
【数１】
2004536350.tif 000003
【００１９】
ここで、ｗ０（強度プロフィールの１／ｅ２半値幅）およびσ０（光源面におけるコヒーレンス係数の実効幅）は定数であり、全コヒーレンス係数は、比α＝σ０／ｗ０で示される。比α、したがってσ０もまた、遠視野のビームの広がりを測定することによって決定されてもよい。なぜなら１／ｅ２遠視野回折角がθ＝λ／（πｗ０β）から得られるからである。ここでλは光の波長であり、β＝（１＋α−２）−１／２である。たとえガウス型シェルモデルがいずれの実際の光源に対して精密に適合していなくても、ガウス遠視野回折パターンを正確に有していない多くの光源に対してさえ、本発明の目的に対して充分に正確である。
【００２０】
以下に、図２〜図８を参照して本発明を説明する。
図２は、自由空間（または均質な誘電体）におけるガウス型シェルモデルビームの伝播を示す。図２は、量ｗ０およびσ０を示し、いわゆる伝播パラメータ、すなわち１／ｅ２半値幅ｗ（ｚ）、コヒーレンス幅σ（ｚ）および曲率半径Ｒ（ｚ）を示している。これらの量は、以下によって与えられるべく知られている（A. T. Friberg ja R. J. Sudol, Opt. Commun. 41, 297 (1982)）。
【００２１】
【数２】
2004536350.tif 000004
【００２２】
図２の角度θは、遠視野強度分布の上述の１／ｅ２半値幅である。薄レンズを通過すると、ガウス型シェルモデルビームは、曲率半径Ｒ（ｚ）を有する球面波として振舞う。
【００２３】
図３は、ガウス型シェルモデル光源が薄レンズ３０１（焦点距離Ｆ）を用いて標準２Ｆフーリエ変換ジオメトリにおいて平面３０２内にフーリエ変換される状態を示す。ここでＲ（Ｆ）＝∞、すなわち波面は平面である。式（１）〜式（３）の使用は、ビーム幅およびコヒーレンス面積がレンズ面における入射ビームのビーム幅およびコヒーレンス面積と一致するように、ビームのフーリエ面値およびコヒーレンス幅を調べることによってこの形状を決定することができる。また薄レンズによる球面波変換の周知の法則を用いると、出力ビームパラメータを見つけることができる。この手順は、任意の近軸レンズ系を通してガウス型シェルモデルビームを伝播させるように拡張可能である（A. T. Friberg ja J. Turunen, J. Opt. Soc. Am. A 5, 713 (1988)）。
【００２４】
図４は、ガウス型シェルモデルビームを、平面波をわずかに異なる方向に伝播する多数のビームに分割する周期的回折素子に当てる配置を示す。前記素子は、１方向または２方向に周期性を有し、通常の回折格子として、格子方程式によって与えられる伝播方向を伴う回折次数が求められる。ｘ方向およびｙ方向における格子周期ｄｘおよびｄｙは、セパレーションδθｘ≒λ／ｄｘおよびδθｙ≒λ／ｄｙがｘ方向およびｙ方向における遠視野発散角θｘおよびθｙよりも小さくなるように、典型的に選ばれる。このようにして、回折次数の伝播方向を中心とする部分的に重なったガウス型シェルモデルビームのセット（図５）が得られる。コヒーレントビームとは異なり、これらのガウス型シェルモデルビームは、以下において示されるように、部分的にしか干渉しない。単純化のために、２次元形状を考慮するが、これを３次元に容易に拡張することが可能である。
【００２５】
回折素子の出口面における回折次数に関する複素振幅をＴｍで示す。ここで、ｍ∈Ｍは回折次数の添字であり、Ｍは次数のセットであり、その回折効率ηｍ＝｜Ｔｍ｜２は有意に零よりも大きい。前記素子の直後の照射野のクロススペクトル密度は以下のとおりである。
【００２６】
【数３】
2004536350.tif 000005
【００２７】
ここで、ｎもまた回折次数を示す添字であり、ｄはｘ方向における格子周期である。レンズ（焦点距離Ｆ）の焦平面における強度分布（ここで位置座標がｕで示される）は、以下の式から得られる。
【００２８】
【数４】
2004536350.tif 000006
【００２９】
式（１）、（５）および（６）を用いて、以下のような最終的な結果が与えられる。
【数５】
2004536350.tif 000007
ここで、ｗＦ＝λＦ／πｗ０β、σＦ＝σ０ｗＦ／ｗ０およびｕ０＝λＦ／ｄである。
【００３０】
図６は、図３の平面３０２における強度分布に対する式（７）に基づく数値シミュレーションを示す。その目的は、元々のガウス強度分布を、充分にコヒーレントな平面波を９つの等しい効率の回折次数ｍ＝−４,…,＋４に変換する回折素子を用いることによって、平坦な頂点部分を有する分布に変換することである。コヒーレンス係数は図６ａにおいてはα＝１／５であり、図６ｂにおいてはα＝１／１０である。これらは、エキシマレーザに対しては、むしろ典型的な値である。他のパラメータはｗ０＝１ｍｍ、Ｆ＝１ｍ、λ＝２５０ｎｍであり、格子周期ｄはαの各値に対する最適比ｗ０／ｄを見つけるために、図６においては変化させる。
【００３１】
ｄが充分に大きい場合、次数間の角距離δθは発散角θよりもかなり小さく、同時にｕ０≪ｗＦである。この制限において、遠視野強度分布は前記素子によってかろうじて影響が与えられる。ｄが減少した場合、フーリエドメイン分布はまず広がり、次いでｗＦ＞ｕ０のとき、分解ピークに分けられる。適切なｄ（またはより正確には比ｗ０／ｄ）の選択によって、最適な状態が得られ、強度分布が最も良好な一様性を有する。最適条件は、図６ａにおいてはｄ≒１ｍｍであり、図６ｂにおいてはｄ≒０．５ｍｍであり、すなわちコヒーレンス係数の減少が最適な格子周期を減少させる。なぜなら格子周期の減少はビーム幅ｗＦを増加させるからである。全エネルギはすべての場合において同じであることに注意されたい。すなわちｄの減少はビーム幅を大きくし、同時にその頂点部分の強度を減少させる。
【００３２】
周期ｄは、ビーム形状に影響を与える最も重要な因子である（また次数Ｍはより小さな影響しか与えない）。光源が異方性を有する、すなわちその強度分布が周期的であるときはいつでも、ｘ方向およびｙ方向において別個にｄを最適化することに利点がある。図５は、ビーム伝播方向に垂直な平面で観察されるこのような状態を示している。光源が異方性を有するので、遠視野回折パターンであるが、ｘ方向およびｙ方向における格子周期の適切な選択が、遠視野パターンを回転対称形状に変換する。必要であれば、異なる数のビームが２つの直交する方向に用いられてもよい。
【００３３】
図６の数値シミュレーションに示されるように、ガウスビームを一様な強度のビームに変換することが可能な素子が、回折次数に対応する異なる方向に伝播するガウスビームのセットを生成する。次数間の角度は、θの実質的な分数であるように選択されるが、次数が分解されるほど大きくはない。部分コヒーレンス係数αはΔθ／θの選択を決定し、一様性と回折構造の複雑さとの間の妥協点を見つけて、数値シミュレーションに基づいて各場合において独立して最適化を行う。同様の原理が、個々の次数の効率の適切な選択によって、輪郭強調されたパターンを含む他のビーム成形素子の設計に適用可能である。明確化のために、１次元信号パターンを主に考慮したが、２次元遠視野パターンを上述で示した概念の直接的な延長によって得ることができる。
【００３４】
図７および図８は、例を用いて、本発明の特定の他の有利な実施およびその応用例を示す。
【００３５】
図７は、強く急激に変化する強度分布を有するビームの均一化を定性的に示す。ここで、部分的にコヒーレントなビームが複数のビームに分割され、該複数のビームはその強度分布が感知できるほどに広がらず、部分的にしか干渉しない。したがって、強度変動は平均化され、重畳ビームは元のビームよりも均質である。該方法は、たとえば個々のエキシマレーザパルスの品質を向上して、より良好なパルス形状再現性を得るのに適している。また図６に示されるように、マルチモード半導体レーザビームの均一化にも適している。
【００３６】
図８は、複数の不連続な相互に相関のない光源の観察面への結像を示す。光源は、レーザでもＬＥＤでもよい。結像レンズが回折限界に達し、光源の角スペクトルを感知できるほどに切り捨てない場合、光源アレイの像（８０１）が得られる。特に、わずかに幅の広い分布（８０２）が得られる。しかしながら、不連続な配列、たとえば正方形状または長方形状の一様に示された領域の代わりに、多少連続した強度分布がしばしば好まれる。これは、本発明に示された方法によって達成される。すなわち各光源の像が、分離した光源間の空き空間を満たすように、ｘ方向およびｙ方向に拡大される。異なる光源の像が重なってもよい。なぜなら光源は相互に相関がないからである。こうして、干渉は生じず、結果、異なる強度分布（８０３）のインコヒーレントな合計となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術を示す。レーザビーム（１０１）の強度分布は、所望の分布が平面（１０３）において生じるように、非球面レンズ（１０２）を用いて成形される。（ａ）理想的な状態。完全に調整されたガウスビーム（１０１）は、レンズの焦平面において頂点部分が平坦な強度分布を生成する。（ｂ）実際の状態。入射ビームの仮定された強度分布からの逸脱または調整誤差（１０４）は、最終的な強度分布（１０５）に不所望な歪みを引起こす。
【図２】自由空間におけるガウス型シェルモデルビームの伝播を示す。ｗ（ｚ）は強度分布の１／ｅ２半値幅であり、σ（ｚ）はビームの空間的コヒーレンス幅であり、Ｒ（ｚ）は波面の曲率半径である。
【図３】薄レンズ（３０１）によるガウス型シェルモデル光源の平面（３０２）へのフーリエ変換を示す。
【図４】薄レンズ（４０１）と周期的回折素子（４０３）とを用いるガウス型シェルモデルビームの成形を示す。
【図５】格子が２次元配列の回折次数を生成する場合の、図３に示される種類の形状における空間的に部分的にコヒーレントなビームの干渉（楕円）を示す。楕円の中心点は回折次数の空間周波数を示す。重ね合わせ後、これらの相互に部分的に相関を有する照射野は図示される円領域内にほぼ一定の強度の領域を形成する。
【図６】回折素子がビームを９つの等しい強度部分に分割した場合の図３の平面（３０２
）における数値シミュレーションによる強度分布を示す。（ａ）σ０＝ｗ０／５である。
（ｂ）σ０＝ｗ０／１０である。曲線６０２および６０６はｄ＝１ｍｍである。曲線６０３および６０７はｄ＝０．５である。曲線６０４および６０８はｄ＝０，２５である。
【図７】回折ビームスプリッタによるマルチモード半導体レーザ（７０１）ビームの均一化を示す。（ａ）スクリーン（７０３）上の強度分布（７０２）は一様ではない。（ｂ）回折素子（７０４）はわずかに異なる方向に伝播するビームのセット（ここで明確化のために３つ）を生成する。すべての個々のビームの強度分布は、前記分布（７０２）を有するが空間的に部分的にコヒーレントなビームの重ね合わせは均一化されたビーム（７０５）を生成する。
【図８】像平面における頂上部分がほぼ平坦なパターンへの独立した光源によって放射される複数の相互に相関のない光ビームの組み合わせを示す。
【国際公開パンフレット】
2004536350.tif 000008
2004536350.tif 000009
2004536350.tif 000010
2004536350.tif 000011
2004536350.tif 000012
2004536350.tif 000013
2004536350.tif 000014
2004536350.tif 000015
2004536350.tif 000016
2004536350.tif 000017
2004536350.tif 000018
2004536350.tif 000019
2004536350.tif 000020
2004536350.tif 000021
2004536350.tif 000022
2004536350.tif 000023
2004536350.tif 000024
2004536350.tif 000025
【国際調査報告】
2004536350.tif 000026
2004536350.tif 000027