(57)【要約】【課題】精度よく所望の偏向角度に偏向でき、しかも再現性の高い光偏向器、光偏向装置、及び光偏向方法を提供する。【解決手段】レーザ光の伝播方向を偏向する光偏向器２であって、光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる光透過媒質２と、光透過媒質２の温度を変化させて屈折率を変調し、入射面に入射し出射面から出射するレーザ光の出射角度を変化させる温度調整部５とを備えて構成され、温度調整部５は、光透過媒質３を加熱または冷却する熱源５ａと、光透過媒質３の温度を検知する温度センサ５ｂと、温度センサ５ｂによる検知温度に基づいて熱源５ａの発熱量または吸熱量を制御して光透過媒質３の温度を目標温度に調整する温度制御部５ｃを備えている。【選択図】図１
2016161598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の伝播方向を偏向する光偏向器であって、
光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる光透過媒質と、
前記光透過媒質の温度を変化させて屈折率を変調し、前記入射面に入射し前記出射面から出射するレーザ光の出射角度を変化させる温度調整部と、
を備えている光偏向器。
【請求項２】
前記入射面または出射面の何れか一方が光軸に対して直交し、他方が光軸に対して傾斜するように配置されている請求項１記載の光偏向器。
【請求項３】
前記温度調整部は、前記光透過媒質を加熱または冷却する熱源と、前記光透過媒質の温度を検知する温度センサと、前記温度センサによる検知温度に基づいて前記熱源の発熱量または吸熱量を制御して前記光透過媒質の温度を目標温度に調整する温度制御部とを備えている請求項１または２記載の光偏向器。
【請求項４】
レーザ光の光軸のずれを検知する光軸ずれセンサを備え、前記温度制御部は前記光軸ずれセンサにより検知された光軸ずれの程度に基づいて前記目標温度を設定するように構成されている請求項３記載の光偏向器。
【請求項５】
光源から出力されたレーザ光を増幅する増幅部と前記増幅部で増幅されたレーザ光を波長変換する波長変換部との間に配置され、前記光軸ずれセンサが前記波長変換部から出力された波長変換光のパワーを検知するパワーセンサで構成され、前記パワーセンサで検知された波長変換光のパワーに基づいて前記目標温度を設定するように構成されている請求項４記載の光偏向器。
【請求項６】
前記光透過媒質を所定姿勢に保持する保持部を備え、前記保持部は線膨張係数が１０×１０-６／Ｋより小さな部材で構成されている請求項１から５の何れかに記載の光偏向器。
【請求項７】
前記光透過媒質は、光学ガラスまたは光学結晶で構成されている請求項１から６の何れかに記載の光偏向器。
【請求項８】
レーザ光の伝播方向を偏向する光偏向装置であって、
請求項１から７の何れかに記載の光偏向器を一対備え、
前記入射面または出射面のうち光軸に対して傾斜する傾斜面の傾斜姿勢が相対的に９０度回転するようにレーザ光の伝播方向に沿って縦続配置されている光偏向装置。
【請求項９】
前記光偏向装置の入射光のビーム中心と出射光のビーム中心の光軸に対するオフセットが打ち消されるように、各光偏向器が光軸に対して傾斜配置されている請求項８記載の光偏向装置。
【請求項１０】
前記一対の光偏向器は、相互に熱の授受が生じないように断熱部材を介して縦続配置されている請求項８または９記載の光偏向装置。
【請求項１１】
レーザ光の伝播方向を偏向する光偏向方法であって、
光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる光透過媒質を温度変化させることにより屈折率を変調し、前記入射面に入射し前記出射面から出射するレーザ光の出射角度を変化させる光偏向方法。
【請求項１２】
光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる一対の光透過媒質を、入射面または出射面のうち光軸に対して傾斜する傾斜面の傾斜姿勢が相対的に９０度回転するようにレーザ光の伝播方向に沿って縦続配置し、個別に温度変化させることにより屈折率を変調し、前記入射面に入射し前記出射面から出射するレーザ光の出射角度を光軸視で２次元的に変化させる光偏向方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の伝播方向を偏向する光偏向器、光偏向装置、及び光偏向方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ共振器を構成するミラーやレーザ光を折り返して伝播させるためのミラーを備えたレーザ光源では、筐体に歪が生じた場合にミラーに微小に角度変化して、レーザ光源内部を伝播するレーザ光に光軸ずれが生じ、その結果、レーザ出力が低下したりビーム品質が劣化したりする虞がある。
【０００３】
このような光軸のずれは、レーザ光源自体の発熱によって筐体温度が変化したり、環境温度が変化したり、所定のレーザパワーを維持するための励起源に供給するエネルギーが増加してレーザ光源自体の発熱量が変化する等、レーザ光源自体の問題によって生じることがある。
【０００４】
同様にレーザ光源から出射されたレーザ光を増幅する固体増幅器では、励起用光源から供給される励起エネルギーによって固体増幅器が温度変動し、熱レンズ効果の影響によってレーザ光に光軸ずれが生じる場合もあった。
【０００５】
従来、ミラーをアクチュエータ等で物理的に駆動する構成を採用した光偏向器や、光学媒質の屈折率分布を利用した光偏向器が知られている。前者には、アクチュエータに電動モータや超音波モータを用いた構成や、ピエゾ素子を用いた構成が知られている。
【０００６】
アクチュエータに電動モータを用いると再現性が比較的高く応答性もよいが、分解能が１００μｒａｄ程度と不十分であり、分解能を向上させるために装置サイズが大きくなるという問題があった。アクチュエータに超音波モータを用いると分解能が高いが、再現性が低く、再現性の向上を図るために装置サイズが大きくなるという問題があった。さらに、アクチュエータにピエゾ素子を用いると分解能と応答性に優れ、サイズも小型になるが、再現性が低いという問題があった。
【０００７】
後者には、電気光学効果を利用した光偏向器や、温度分布を利用した光偏向器が知られている。電気光学効果を利用した光偏向器では、分解能、再現性、応答性に優れ、サイズも小型化が可能であるが、十分な電界印加のために数ｋＶの高圧電源が必要となり、媒質の温度を一定に保つ制御機構も必要なため、装置構成が複雑になるという問題があった。
【０００８】
特許文献１には、温度分布を利用した光偏向器が開示されている。
レーザ光源の光軸補正に使用する光偏向器を、可動部、高電圧や高周波電力を必要としない手段で実現することを目的として、レーザの伝搬方向を偏向させる光偏向器であって、互いに離間するように配置された第１金属片および第２金属片と、第１金属片と第２金属片との間に並列に配置され、それぞれ第１金属片及び第２金属片に接する透明媒質及び電子冷却素子とを有し、電子冷却素子が第１金属片及び第２金属片に温度差を与えることによって透明媒質の屈折率を変化させることを特徴とする光偏向器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１４−２１９４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した特許文献１に開示された光偏向器では、透明媒質中の温度勾配により生じる屈折率差を利用して光偏向するのであるが、様々な光学素子が収容されたケーシング内で光偏向器に所望の温度勾配を再現するのは非常に困難であるという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、精度よく所望の偏向角度に偏向でき、しかも再現性の高い光偏向器、光偏向装置、及び光偏向方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明による光偏向器の第一特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、レーザ光の伝播方向を偏向する光偏向器であって、光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる光透過媒質と、前記光透過媒質の温度を変化させて屈折率を変調し、前記入射面に入射し前記出射面から出射するレーザ光の出射角度を変化させる温度調整部と、を備えている点にある。
【００１３】
温度調整部により光透過媒質の温度が可変に調整されると、その調整温度に対して光透過媒質の屈折率が変化する。光透過媒質の屈折率の温度係数（ｄｎ／ｄＴ）と、入出射面がなす角度を選択することで、所望の分解能で光軸と調整量でレーザ光の伝播方向を偏向できるようになる。つまり、光透過媒質全体を所望の偏向角に対応した目標温度に調整するだけでよいので、精度及び再現性の高い光偏向器が実現できる。
【００１４】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記入射面または出射面の何れか一方が光軸に対して直交し、他方が光軸に対して傾斜するように配置されている点にある。
【００１５】
入射面及び出射面の双方を光軸に対して傾斜姿勢に設置すると、入射面での偏向と出射面での偏向の双方が同時に発生することになり、所望の偏向角度を得るために双方の偏向の程度を加味して温度を調整し、或いは設置姿勢を調整する必要がある。
【００１６】
しかし、入射面または出射面の何れか一方を光軸に対して直交するように配置すれば、出射面または反射面での偏向のみ考慮すればよいので、所望の偏向角度を得るための温度設定や設置姿勢の調整作業等が容易になり、手間をかけずに精度の高い偏向調整が可能になる。また、仮に入射面及び反射面が光軸と直交する面に対して互いに異なる方向に傾斜している場合には、出射面での偏向方向が入射面に対する偏向方向と交差する場合も生じ、偏向方向の調整が複雑になる。つまり、入射面または出射面の何れか一方を光軸に対して直交するように設定すれば、他方の面の傾斜角度のみで独立して偏向方向を調整できるようになる。
【００１７】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記温度調整部は、前記光透過媒質を加熱または冷却する熱源と、前記光透過媒質の温度を検知する温度センサと、前記温度センサによる検知温度に基づいて前記熱源の発熱量または吸熱量を制御して前記光透過媒質の温度を目標温度に調整する温度制御部とを備えている点にある。
【００１８】
温度制御部によって、温度センサによる検知温度に基づいて熱源が制御されることにより、光透過媒質の温度が目標温度に調整され、光透過媒質が所望の屈折率に調整される。
【００１９】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第三の特徴構成に加えて、レーザ光の光軸のずれを検知する光軸ずれセンサを備え、前記温度制御部は前記光軸ずれセンサにより検知された光軸ずれの程度に基づいて前記目標温度を設定するように構成されている点にある。
【００２０】
光軸ずれセンサによって検知されるレーザ光の光軸のずれを補正するために必要な偏向の程度が求まり、その程度に応じた偏向が可能になるような目標温度が求められ、設定される。
【００２１】
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第四の特徴構成に加えて、光源から出力されたレーザ光を増幅する増幅部と前記増幅部で増幅されたレーザ光を波長変換する波長変換部との間に配置され、前記光軸ずれセンサが前記波長変換部から出力された波長変換光のパワーを検知するパワーセンサで構成され、前記パワーセンサで検知された波長変換光のパワーに基づいて前記目標温度を設定するように構成されている点にある。
【００２２】
波長変換部に入射するレーザ光の光軸がずれると、波長変換光のパワーが低下する。そのパワーの低下度合いに基づいて光軸ずれ量が把握できるので、光軸のずれを補正するために必要な偏向の程度が求まり、その程度に応じた偏向が可能になるような目標温度が求められる。
【００２３】
第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記光透過媒質を所定姿勢に保持する保持部を備え、前記保持部は線膨張係数が１０×１０-６／Ｋより小さな部材で構成されている点にある。
【００２４】
光透過媒質の温度を調整する際にその保持部が熱の影響を受けて収縮または膨張すると、光透過媒質の姿勢が変動して目標通りの偏向性能を得ることが困難になる。しかし、線膨張係数が１０×１０-６／Ｋより小さな部材で保持部を構成すると、その影響を殆ど無視することができるようになる。
【００２５】
同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記光透過媒質は、光学ガラスまたは光学結晶で構成されている点にある。
【００２６】
屈折率が媒質温度により変動するような材料であれば本発明を適用可能な光透過媒質として利用でき、一般的な光学ガラスまたは光学結晶を用いることができる。
【００２７】
本発明による光偏向装置の第一の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、レーザ光の伝播方向を偏向する光偏向装置であって、上述した第一から第七の何れかの特徴構成を備えた光偏向器を一対備え、前記入射面または出射面のうち光軸に対して傾斜する傾斜面の傾斜姿勢が相対的に９０度回転するようにレーザ光の伝播方向に沿って縦続配置されている点にある。
【００２８】
光軸に直交する平面上で任意の方向に偏向させることができるようになる。
【００２９】
同第二の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記光偏向装置の入射光のビーム中心と出射光のビーム中心の光軸に対するオフセットが打ち消されるように、各光偏向器が光軸に対して傾斜配置されている点にある。
【００３０】
光偏向装置を通過したレーザ光の光軸からのオフセットを解消することができるようになる。
【００３１】
同第三の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記一対の光偏向器は、相互に熱の授受が生じないように断熱部材を介して縦続配置されている点にある。
【００３２】
一対の光偏向器はそれぞれの偏向角度に対応した温度に調整される必要があり、両者に熱の授受があると目標の偏向方向に正確に調整することが困難になる。しかし、それぞれが断熱部材を介して配置されていることにより、互いの熱の影響を受けずに偏向することができるようになる。
【００３３】
本発明による光偏向方法の第一の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、レーザ光の伝播方向を偏向する光偏向方法であって、光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる光透過媒質を温度変化させることにより屈折率を変調し、前記入射面に入射し前記出射面から出射するレーザ光の出射角度を変化させる点にある。
【００３４】
光透過媒質の温度が可変に調整されると、その調整温度に対して光透過媒質の屈折率が変化する。光透過媒質の屈折率の温度係数（ｄｎ／ｄＴ）と、入出射面がなす角度を選択することで、所望の分解能で光軸と調整量でレーザ光の伝播方向を偏向できるようになる。つまり、光透過媒質全体を所望の偏向角に対応した目標温度に調整するだけでよいので、精度及び再現性の高い光偏向が可能になる。
【００３５】
同第二の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる一対の光透過媒質を、入射面または出射面のうち光軸に対して傾斜する傾斜面の傾斜姿勢が相対的に９０度回転するようにレーザ光の伝播方向に沿って縦続配置し、個別に温度変化させることにより屈折率を変調し、前記入射面に入射し前記出射面から出射するレーザ光の出射角度を光軸視で２次元的に変化させる点にある。
【００３６】
光軸に直交する平面上で任意の方向に偏向させることができるようになる。具体的に光軸をｚとした場合に、ｘ−ｙ平面上でｘ軸方向及びｙ軸方向の双方に独立して偏向させることができるようになる。
【発明の効果】
【００３７】
以上説明した通り、本発明によれば、精度よく所望の偏向角度に偏向でき、しかも再現性の高い光偏向器、光偏向装置、及び光偏向方法を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明による光偏向器の説明図
【図２】（ａ），（ｂ）は偏向角度の説明図
【図３】（ａ）は水平方向の偏向の説明図、（ｂ）は垂直方向の偏向の説明図
【図４】（ａ）は温度−角度変化量のシミュレーション結果の特性説明図、（ｂ）は温度−角度変化量の実験結果の特性説明図
【図５】光偏向器のカット角度と温度−角度変化量のシミュレーション結果の特性説明図
【図６】光偏向器を通過するビームの光芒の説明図
【図７】（ａ）は平面視で光偏向器を通過するビームのオフセットの説明図、（ｂ）は側面視で光偏向器を通過するビームのオフセットの説明図
【図８】（ａ）は平面視で光偏向器を通過するビームのオフセットを解消する構成の説明図、（ｂ）は側面視で光偏向器を通過するビームのオフセットを解消する構成の説明図
【図９】本発明による光偏向装置が組み込まれたレーザ光源装置のブロック構成図
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明による光偏向器、光偏向装置、及び光偏向方法の実施形態を説明する。
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）には、本発明による光偏向器２の一例が示されている。光偏向器２は、光透過媒質３と、光透過媒質３を所定姿勢で保持する保持部４と、保持部４の近傍に設置された温度調整部５とを備えている。
【００４０】
光透過媒質３は光学ガラスまたは光学結晶で構成され、例えば、合成石英ガラスＳｉＯ２やフッ化カルシウムＣａＦ２、さらにはＬＢＯ，ＢＢＯ等の非線形光学素子を用いることができる。本実施形態ではフッ化カルシウムが用いられている。
【００４１】
光透過媒質３は略直方体または立方体形状に形成され、光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる角度にカットされている。具体的に、六面のうち対抗する２面の一方が他方に対して所定の傾斜角で傾斜するようにカットされている。
【００４２】
光透過媒質３は保持部４の水平壁４ａと鉛直壁４ｂとに位置決め配置され、さらに上方から押え部材４ｃで挟み込まれるように固定されている。押え部材４ｃには、光透過媒質３にレーザ光が入射し、光透過媒質３からレーザ光が出射するように矩形の開口部４ｄが形成されている。光透過媒質３は周囲の四面と直交する面が光軸と直交する入射面となり、光軸に対して所定角度傾斜した面が出射面となるように配置されている。
【００４３】
尚、光透過媒質３は周囲の四面と直交する面が光軸と直交する出射面となり、光軸に対して所定角度傾斜した面が入射面となるように配置されていてもよい。さらに、光透過媒質３は対向する一対の面が周囲の四面と何れも直交することなく、且つ互いに異なる角度に形成されていてもよい。
【００４４】
温度調整部５は光透過媒質３の温度を変化させて屈折率を変調し、入射面に入射し出射面から出射するレーザ光の出射角度を変化させる機能ブロックであり、光透過媒質３を加熱または冷却する熱源５ａと、光透過媒質３の温度を検知する温度センサ５ｂと、温度センサ５ｂによる検知温度に基づいて熱源５ａの発熱量または吸熱量を制御して光透過媒質３の温度を目標温度に調整する温度制御部５ｃとを備えている。熱源５ａとして公知のヒータを用いることができ、他にペルチェ素子等を用いることも可能である。
【００４５】
温度制御部５ｃによって、温度センサ５ｂによる検知温度に基づいて熱源５ａが制御されることにより、光透過媒質３の温度が目標温度Ｔｏに調整され、光透過媒質３が所望の屈折率ｎに調整される。
【００４６】
さらに温度調整部５を覆うように保持部４の上方から断熱材６で被覆されている。保持部４は線膨張係数が１０×１０-６／Ｋより小さな部材で構成されていることが好ましい。光透過媒質３の温度を調整する際にその保持部４が熱の影響を受けて収縮または膨張すると、光透過媒質３の姿勢が変動して目標通りの偏向性能を得ることが困難になる。しかし、線膨張係数が１０×１０-６／Ｋより小さな部材で保持部を構成すると、その影響を殆ど無視することができるようになる。
【００４７】
光透過媒質３内で温度分布を生じさせないため、保持部４には熱伝導率が２．０(Ｗ／ｍ・Ｋ)以下の断熱素材で構成されることが好ましい。
【００４８】
図２（ａ）には、光軸Ｌに対して入射面が直交し、出射面が所定角度θｃｕｔでカットされた屈折率ｎ１の媒質からｎ２の光透過媒質３に入射するレーザ光の軌跡が示されている。入射面での入射角θ１、出射角θ２、出射面での入射角θ３、出射角θ４とすると、出射角θ４は、以下の数式〔数１〕で求まる。
【数１】
2016161598.tif 000003
【００４９】
図２（ｂ）には、光軸Ｌに対して出射面が直交し、入射面が所定角度ＢＡでカットされた屈折率ｎ１の媒質からｎ２の光透過媒質３に入射するレーザ光の軌跡が示されている。入射面での入射角θ１、出射角θ２、出射面での入射角θ３、出射角θ４とすると、出射角θ４は、以下の数式〔数２〕で求まる。
【数２】
2016161598.tif 000004
【００５０】
つまり、出射角θ４は光透過媒質３のカット角度であるθｃｕｔまたはＢＡによって規定されることになる。さらに、光透過媒質３の屈折率ｎの温度係数（ｄｎ／ｄＴ）、ここでは屈折率ｎ２の温度係数によって出射角θ４が変化するので、光透過媒質３のカット角度及び温度によって出射角θ４を調整することができるようになる。
【００５１】
図３（ａ）には平面視の光透過媒質３が示されている。出射面が平面視で傾斜するようにカットされている。光軸Ｌに沿って垂直な入射面に入射したレーザ光は屈折率ｎ２の光透過媒質３によってｘ−ｙ平面上で屈折し、その屈折角は光透過媒質３の温度によって調整される。
【００５２】
図３（ｂ）には側面視の光透過媒質３が示されている。出射面が側面視で傾斜するようにカットされている。光軸Ｌに沿って垂直な入射面に入射したレーザ光は屈折率ｎ２の光透過媒質３によってｚ−ｙ平面上で屈折し、その屈折角は光透過媒質３の温度によって調整される。
【００５３】
図４（ａ）には、直方体または立方体で構成されたフッ化カルシウムの出射面を所定の傾斜角度θでカットした光透過媒質３の温度に対する角度変化量を上述の〔数１〕の演算式で算出した特性が示されている。屈折率ｎ１は空気の値、屈折率ｎ２はフッ化カルシウムの温度係数（ｄｎ／ｄＴ）に従い算出した。
【００５４】
図４（ｂ）には、実際の実験値が示されている。シミュレーションと実験の結果がほぼ一致することが判り、光透過媒質３の温度を室温から百数十度に調整することにより百数十マイクロラジアンの角度調整ができ、温度を１℃変化させることで数マイクロラジアンの角度調整が可能になることが判明した。実際には、０．１℃の分解能で温度調整が可能であり、極めて高い分解能でレーザ光を偏向することができる。
【００５５】
図５には、フッ化カルシウムの出射面を複数の傾斜角度θでカットした場合の特性が示されている。つまり、光透過媒質３の傾斜角度θと調整温度範囲を組み合わせることにより、レーザ光を所望の角度範囲で偏向できるようになる。つまり、光学ガラスまたは光学結晶を用いて光軸に対する入射面と出射面の角度が異なるようにカットした光透過媒質を用いることにより、精度の高い光偏向器を構成することができる。
【００５６】
図６には、平面視で上述の光偏向器２を入射面または出射面のうち光軸Ｌに対して傾斜する傾斜面の傾斜姿勢が相対的に９０度回転するようにレーザ光の伝播方向に沿って縦続配置された光偏向装置８０が示されている。
【００５７】
光軸Ｌに沿って入射するレーザ光は、第１の光透過媒質３ａによってｘ−ｙ平面上で偏向され、第２の光透過媒質３ｂによってｚ−ｙ平面上で偏向される。真円に形成されたビーム断面ＢＦ１のレーザ光が第１の光透過媒質３ａを通過するとビーム断面ＢＦ２が一方向に歪んで楕円形状になり、第２の光透過媒質３ｂを通過するとビーム断面ＢＦ３が一方向とは直交する方向に歪む。その結果、歪方向が直交するので結果としてビーム断面が真円に戻る。
【００５８】
つまり、ビームの真円形状を崩すことなく、光軸に直交する面上で任意の方向に偏向させることができるようになる。
【００５９】
図７（ａ）は、平面視で光軸Ｌに沿って入射するレーザ光が第１及び第２の光透過媒質３ａ，３ｂで偏向される様子が示されている。また、図７（ｂ）は側面視で光軸Ｌに沿って入射するレーザ光が第１及び第２の光透過媒質３ａ，３ｂで偏向される様子が示されている。
【００６０】
光偏向装置８０を通過したレーザ光は光軸Ｌに対して平面視で角度φ１のオフセット、側面視で角度φ２のオフセットが生じる。
【００６１】
図８（ａ），（ｂ）に示すように、光偏向装置８０の入射光のビーム中心と出射光のビーム中心の光軸Ｌに対するオフセットが打ち消されるように、各光偏向器３ａ，３ｂが光軸Ｌに対して傾斜配置されることにより、図７（ａ），（ｂ）に示すようなオフセットが解消されるようになる。
【００６２】
実際の光偏向装置８０は、一対の光偏向器２が隣接配置され、相互に熱の授受が生じないように断熱部材を介して縦続配置されている。一対の光偏向器２はそれぞれの偏向角度に対応した温度に調整される必要があり、両者に熱の授受があると目標の偏向方向に正確に調整することが困難になる。そのため、それぞれが断熱部材を介して配置され、互いの熱の影響を受けずに偏向することができるように構成されているのである。
【００６３】
光偏向器２に備えた温度制御部５は、レーザ光の光軸のずれを検知する光軸ずれセンサから入力される光軸ずれの程度に基づいて目標温度を設定するように構成されている。光軸ずれセンサによって検知されるレーザ光の光軸のずれを補正するために必要な偏向の程度が求まり、その程度に応じた偏向が可能になるような目標温度が求められ、設定されるのである。
【００６４】
光軸ずれセンサとして特別のセンサを用いる必要はなく、光軸に沿って伝播するレーザ光をビームサンプラー等でＰＳＤ等の位置検知素子に導いてずれを検知したり、イメージセンサに導いてずれを検知したりすることができる。
【００６５】
光偏向器２または光偏向装置８０が、光源から出力されたレーザ光を増幅する増幅部と増幅部で増幅されたレーザ光を波長変換する波長変換部との間に配置される場合には、波長変換部から出力された波長変換光のパワーを検知するパワーセンサで光軸ずれセンサを構成することができる。波長変換部に入射するレーザ光の光軸がずれると、波長変換光のパワーが低下するという特性を利用するのである。
【００６６】
以下、本発明による光偏向装置８０が組み込まれたレーザ光源装置１について説明する。
図９に示すように、レーザ光源装置１は、光源部１Ａと、ファイバ増幅部１Ｂと、固体増幅部１Ｃと、波長変換部１Ｄとが光軸Ｌに沿って配置され、さらに光源部１Ａ等を制御する制御部１００を備えて構成されている。
【００６７】
光源部１Ａには、種光源１０と、種光源用のドライバＤ１と、光アイソレータＩＳＬ１等を備えている。ファイバ増幅部１Ｂには、それぞれレーザダイオードで構成される励起用光源２１，３１及び合波器２２，３２を備えた二段のファイバ増幅器２０，３０と、光アイソレータＩＳＬ２，ＩＳＬ３と、光スイッチ素子４０等を備えている。
【００６８】
固体増幅部１Ｃには、固体増幅器５０と、反射ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、レンズＬ１，コリメータＣＬ２等を備えている。波長変換部１Ｄは、第１波長変換部１Ｅ及び第２波長変換部１Ｆで構成され、それぞれに非線形光学素子６０，７０を備えている。
【００６９】
種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのレーザパルス光（以下、単に「パルス光」とも記す。）が二段のファイバ増幅器２０，３０で増幅され、さらに一段の固体増幅器５０で所望のレベルまで増幅される。固体増幅器５０で増幅されたパルス光は非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換されて出力される。
【００７０】
種光源１０として単一縦モードのレーザ光を出力する分布帰還型レーザダイオード（以下、「ＤＦＢレーザ」と記す。）が用いられ、ゲインスイッチング法を適用する制御部１００から出力される制御信号によって、ＤＦＢレーザから単発または数メガヘルツ以下の所望の周波数で、数百ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光が出力される。
【００７１】
種光源１０から出力された数ピコジュールから数百ピコジュールのパルスエネルギーのパルス光が、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０によって最終的に数十マイクロジュールから数十ミリジュールのパルスエネルギーのパルス光に増幅された後に、二段の非線形光学素子６０，７０に入力されることによって波長２６６ｎｍの深紫外線に波長変換される。
【００７２】
種光源１０から出力されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ１を介して、初段のファイバ増幅器２０で増幅される。ファイバ増幅器２０，３０として、所定波長（例えば９７５ｎｍ）の励起用光源２１で励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）添加ファイバ増幅器等の希土類添加光ファイバが用いられる。このようなファイバ増幅器２０の反転分布の寿命はミリ秒の位数であるため、励起用光源２１で励起されたエネルギーは１キロヘルツ以上の周波数のパルス光に効率的に転移されるようになる。
【００７３】
初段のファイバ増幅器２０で約３０デシベル増幅されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ２を介して後段のファイバ増幅器３０に入力されて約２５デシベル増幅される。後段のファイバ増幅器３０で増幅されたパルス光は、コリメータＣＬ１によってビーム成形され、光アイソレータＩＳＬ３，ＩＳＬ４を通過した後に固体増幅器５０に導かれて約２５デシベル増幅される。
【００７４】
コリメータＣＬ１と固体増幅器５０との間には、音響光学素子が組み込まれ光スイッチ素子４０として機能する音響光学変調器ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）、一対の反射ミラーＭ１，Ｍ２が配置され、反射ミラーＭ１，Ｍ２間には固体増幅器５０で増幅されたパルス光を非線形光学素子６０に導く光アイソレータＩＳＬ４が配置されている。
【００７５】
尚、上述の光アイソレータＩＳＬ１〜ＩＳＬ４は、何れも磁気光学効果を利用して順方向と逆方向で偏光面を逆方向に回転させることで戻り光を遮断する偏光依存型の光アイソレータであり、光軸に沿って上流側に配置された各光学素子が、高強度の戻り光によって熱破壊されることを回避する等のために設けられている。
【００７６】
固体増幅器５０としてＮｄ：ＹＶＯ４結晶やＮｄ：ＹＡＧ結晶等の固体レーザ媒体が好適に用いられる。発光波長８０８ｎｍまたは８８８ｎｍのレーザダイオードで構成される励起用光源５１から出力され、コリメータＣＬ２によってビーム成形された励起光によって固体レーザ媒体が励起されるように構成されている。
【００７７】
光スイッチ素子４０を通過したパルス光は、反射ミラーＭ１，Ｍ２を経由して固体増幅器５０に入射して増幅された後に、さらに反射ミラーＭ３で反射されて固体増幅器５０に再入射して再度増幅される。つまり、固体増幅器５０の往路及び復路でそれぞれ増幅されるように構成されている。尚、レンズＬ１はビーム整形用である。
【００７８】
固体増幅器５０で増幅されたパルス光は反射ミラーＭ２、光アイソレータＩＳＬ４で反射されて波長変換部１Ｄの非線形光学素子６０，７０に入射して所望の波長に変換された後に出力される。
【００７９】
第１波長変換部１Ｅには非線形光学素子６０であるＬＢＯ結晶（ＬｉＢ３Ｏ５）が組み込まれ、第２波長変換部１Ｆには非線形光学素子７０であるＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）が組み込まれている。種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのパルス光が非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換される。
【００８０】
反射ミラーＭ４，Ｍ８は非線形光学素子６０から出力される波長１０６４ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、反射ミラーＭ６は非線形光学素子７０から出力される波長５３２ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、分離されたパルス光はそれぞれ光ダンパで減衰される。
【００８１】
第２波長変換部１ＦにはＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）を光軸と直交する面内で移動させる走査機構であるステージ７１が設けられている。紫外線が長時間同一箇所に照射されるとＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）に光学損傷が生じて強度分布の劣化と波長変換出力の低下を招くため、所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためである。
【００８２】
制御部１００はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）及び周辺回路等を備えた回路ブロックで構成され、予めＦＰＧＡ内のメモリに記憶したプログラムに基づいて複数の論理素子を駆動することにより、レーザ光源装置１を構成する各ブロックが例えばシーケンシャルに制御される。尚、制御部１００はＦＰＧＡで構成される以外に、マイクロコンピュータとメモリ及びＩＯ等の周辺回路で構成されていてもよいし、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）等で構成されていてもよい。
【００８３】
具体的に、制御部１００はゲインスイッチング法を用いて種光源１０を発光させるべく、種光源１０であるＤＦＢレーザのドライバＤ１に所定パルス幅のトリガ信号を出力する。当該駆動回路からＤＦＢレーザにトリガ信号に応じたパルス電流が印加されると緩和振動が発生し、緩和振動による発光開始直後の最も発光強度が大きな第１波のみからなり第２波以降のサブパルスを含まないパルス状のレーザ光が出力される。ゲインスイッチング法とは、このような緩和振動を利用した短いパルス幅でピークパワーが大きいパルス光を発生させる方法をいう。
【００８４】
また、制御部１００は光スイッチ素子４０である音響光学変調器ＡＯＭを駆動するＲＦドライバＤ２にゲート信号を出力する。ＲＦドライバＤ２から高周波信号が印加されたトランスジューサ（ピエゾ変換素子）によって音響光学素子を構成する結晶に回折格子が生成され、音響光学素子に入射するパルス光の回折光が反射ミラーＭＲ１に入射する。ＲＦドライバＤ２が停止すると音響光学素子に入射したパルス光は回折せずにそのまま通過し、反射ミラーＭＲ１に入射することはない。尚、ＲＦドライバＤ２の停止時に音響光学素子を通過した光は光ダンパによって減衰されるように構成されている。
【００８５】
ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオンすると回折された光がファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ伝播し、ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオフするとファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ光の伝播が阻止される。
【００８６】
制御部１００は、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子４０を制御することにより、非線形光学素子６０，７０からパルス光の出力を許容する出力許容状態を生成するように構成されている。
【００８７】
さらに、制御部１００は、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を阻止し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を許容するように光スイッチ素子４０を制御することにより、非線形光学素子６０，７０からのパルス光の出力を停止する出力停止状態を生成するように構成されている。
【００８８】
出力許容状態で、制御部１００によって種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光スイッチ素子４０がオフされると、その間は、後段の固体増幅器５０へのＡＳＥノイズ(amplified spontaneous emission noise)の伝播が阻止されるようになり、固体増幅器５０の活性領域のエネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる。尚、ＡＳＥノイズは、前段のファイバ増幅器３０，４０で生じた自然放出光ノイズであり、後段の固体増幅器５０に伝播すると、励起用の光源によって励起状態にある固体増幅器５０の活性領域のエネルギーが放出されるようになる。
【００８９】
出力停止状態では種光源１０からのパルス光が固体増幅器５０に伝播しないため、固体増幅器５０の活性領域のエネルギー状態が出力許容状態とは異なり、温度変動を来して、出力許容状態に移行した後に固体増幅器５０の熱レンズ効果の影響によってパルス光が微妙に偏向される場合がある。
【００９０】
そのような場合に備えて、固体増幅器５０と波長変換部１Ｄとの間に光偏向装置８０が配置されている。波長変換部１Ｄから出力された波長変換光の一部をビームサンプラーで反射させて検知するパワーセンサが設けられ、そのパワーに基づいて光軸ずれを検知し、ずれの程度が光偏向装置８０を構成する各光偏向器２の温度調整部５に入力されるように構成されている。
【００９１】
以上説明した通り、本発明による光偏向方法は、光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる光透過媒質を温度変化させることにより屈折率を変調し、前記入射面に入射し前記出射面から出射するレーザ光の出射角度を変化させるように構成されている。
【００９２】
また、光軸に対する入射面と出射面の角度が異なる一対の光透過媒質を、入射面または出射面のうち光軸に対して傾斜する傾斜面の傾斜姿勢が相対的に９０度回転するようにレーザ光の伝播方向に沿って縦続配置し、個別に温度変化させることにより屈折率を変調し、前記入射面に入射し前記出射面から出射するレーザ光の出射角度を光軸視で２次元的に変化させるように構成されている。
【００９３】
上述した説明は本発明の一実施態様に過ぎず、該記載により本発明の範囲が限定されるものではない。また、各部の具体的な構成は、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜選択し、或いは変更設計可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００９４】
２：光偏向器
３：光透過媒質
４：保持部
５：温度調整部
８０：光偏向装置
【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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