(57)【要約】ビームプロファイラは、レーザ光が入射する入射面とレーザ光が出射する出射面とを有する、板状又はブロック状の蛍光発生素子と、蛍光発生素子内で発生し出射面から出射する蛍光を、レーザ光から分離する光分離素子と、蛍光を受けるイメージ素子と、光分離素子とイメージ素子との間の蛍光の光路内に位置するマスクとを含む。マスクは、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、レーザ光及びその迷光を遮蔽するとよい。マスクは金属板でよく、金属板は、当該中心部分を覆う遮蔽部と、遮蔽部の周囲に設けられたリム部とを有し、遮蔽部とリム部との間に穴が空けられているとよい。代替的にマスクは、透明な基材と、基材の一方の面上に形成された膜とを含むとよい。ビームプロファイラは、波長分離ミラーによって分離されないレーザ光の迷光によるゴーストの影響を除去して、高出力レーザのビームプロファイルを高精度に測定することを可能とする。
2020179049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の二次元プロファイルを測定するレーザ光のビームプロファイル測定装置であって、
レーザ光が入射する入射面と前記レーザ光が出射する出射面とを有する、板状又はブロック状の蛍光発生素子と、
前記蛍光発生素子内で発生し前記出射面から出射する蛍光を、前記レーザ光から分離する光分離素子と、
前記蛍光を受けるイメージ素子と、
前記光分離素子と前記イメージ素子との間の前記蛍光の光路内に位置するマスクと、
を含み、
前記マスクは、前記蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する、
レーザ光のビームプロファイル測定装置。
【請求項２】
前記光分離素子と前記イメージ素子との間に位置する結像光学系をさらに含む、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
【請求項３】
前記マスクは、透明な基材と、前記基材の一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜とを含む、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
【請求項４】
前記マスクは、前記結像光学系を構成するレンズの一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜を含む、請求項２に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
【請求項５】
前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部を有する金属板である、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
【請求項６】
前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部と、前記遮蔽部の周囲に設けられたリム部とを有する金属板であり、前記遮蔽部と前記リム部との間に穴が空けられている、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
【請求項７】
前記マスクの形状が、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかである、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
【請求項８】
前記マスクの遮蔽部の形状が、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかの形状である、請求項５又は６に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光のビームプロファイル測定装置に関し、特に、高光強度のレーザ光の二次元ビームプロファイルを高い位置精度で、且つ高精度に測定できるレーザ光のビームプロファイル測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の１００ｍＷを超える高出力レーザ光のビームプロファイル（二次元光強度分布）を測定する方法としては、フィルタやミラーでレーザ光を減光してＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサで観測する方法、ピンホールやスリット、ナイフエッジでビームの一部を遮光しながら透過光強度を測定し、遮光位置と透過光強度の相関から計算により求める方法、先端に小さなミラーの付いた棒あるいは先端に小さな穴の開いた導光棒をビーム内で二次元にスキャンして強度分布を測定する方法、光を散乱する板にレーザ光を照射し、その散乱光の像を後方からカメラで測定する方法等が知られていた。なお、本明細書においてカメラとは、映像を撮影するための装置全般を意味する。一般的にカメラは、その内部に、像を検出するためのイメージ素子（例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳ等のイメージセンサ）と、イメージ素子上に像を結ぶための光学系（レンズ等）とを含む。【０００３】
一方、レーザ光を板状の蛍光体（蛍光板）に当てて、そこから発せられる蛍光の二次元強度分布をカメラやイメージセンサで測定する方法も知られていた（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１）。特許文献１及び２には、レーザ光を蛍光板の前方から照射し、照射された領域からの蛍光を、レーザ光を照射した蛍光板の前面、あるいは蛍光板の裏面からカメラで観測する方法が提案されている。また、特許文献３と非特許文献１には、蛍光板としてＮｄ：ＹＡＧを用いる方法が提案され、実験の結果が報告されている。なお、非特許文献１は本発明者が共同執筆者の一人となっている過去の実験結果の報告である。【０００４】
図７を参照して、従来提案された蛍光を利用したビームプロファイル測定法について説明する。測定したいレーザ光（波長８０８ｎｍ）１１０３を、透明なブロック１１００の一面に形成されたフィルム状の蛍光体１１０１に照射する。蛍光体１１０１に吸収されなかったレーザ光は、界面１１０２を透過し外部に放出される。一方、蛍光体から発生した蛍光１１０４は、界面１１０２で反射され、さらにフィルタ１１０５で蛍光波長以外の光が取り除かれ、カメラ１１０６に入射、結像される。非特許文献１もレーザ光の透過と反射の方向が逆であるだけで基本的な構成は同じである。蛍光体の例としてはＮｄ：ＹＡＧが示されている。【０００５】
前記した従来技術のうち、蛍光材料、蛍光体あるいは蛍光板（以下、まとめて「蛍光板」と称する）を用いた方法がそれ以外の測定方法に比べ優れている点を以下に説明する。まず、測定されるレーザ光のビームの光軸方向（Ｚ軸方向）位置を、蛍光板の位置で厳密に且つ高精度に特定することができる。すなわちビームを測定したい位置に蛍光板を置くことで、その場所のビームプロファイルが忠実に蛍光強度プロファイル（蛍光像）に変換され、それをカメラで結像して観測、保存できる。蛍光板から発生する蛍光はレーザ光の波長と離れているため、ダイクロイックミラー（波長分離ミラー）等でレーザ光と容易に分離することができ、高い信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）で観測できる。蛍光は蛍光板内で散乱や吸収の影響を受けることが少ないので、蛍光像はぼけを生じることなく高分解能で、高精度にカメラで計測できる。発生する蛍光の光強度は、蛍光板の材料や蛍光体濃度（吸収特性）、厚みを工夫する（薄くする）ことで、入射するレーザ光の光強度に比べ１／１００以下まで弱くすることも容易である。つまり、蛍光板が一種の減光フィルタとしても機能するので、蛍光を波長分離ミラーで分離した後イメージセンサを用いて信号の飽和や破壊を起こすことなく観測できる。また、このとき蛍光板で発生する熱量も少なく抑えられるので、高出力レーザ光を直接入射しても温度上昇が抑えられ、長時間安定した測定が可能になる。加えて、蛍光はレーザ光やその散乱光と違いインコヒーレント光であるため、スペックルやフィルタ等の干渉縞の発生がなく、また開口（ＮＡ）の小さな光学系を用いてもイメージセンサ上に正確に結像できるために、光学系の自由度が高い。さらに、レンズの組み合わせにより結像の倍率も自由に設定でき、微小なビームプロファイルも拡大することで高精度に測定できる等の利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２２１９１７号公報
【特許文献２】特開２００４−２４５７７８号公報
【特許文献３】特表２００８−５１９２６３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】常包正樹ほか、「新しい高精度２Ｄビーム形状計測法の提案」、２０１５年１月１１日〜１２日、レーザー学会学術講演会第３５回年次大会、講演予稿集  12pIX03、一般社団法人レーザー学会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら上述した蛍光板を用いた方法においては、レーザ光の透過率又は反射率１００％を達成する波長分離ミラーを製作することは困難であるため、通常、１〜５％程度のエネルギーのレーザ光が、波長分離ミラーで分離されずにそこを反射又は透過する。このレーザ光（すなわちレーザ光の迷光）は、蛍光と同じ光路をたどり、イメージセンサに向かう。通常、波長分離ミラーとイメージセンサとの間に位置するフィルタは、蛍光の波長の光だけを選択的に透過するバンドパス特性を有する。かかるバンドパス特性を有するフィルタ（バンドパスフィルタ）の場合、フィルタは、蛍光の波長以外でイメージセンサが受光する波長の光を、１／１０００００〜１／１００００００まで大幅に減衰させるように設計されている。【０００９】
波長分離ミラーを反射又は透過した、レーザ光の迷光も、バンドパスフィルタによって減衰を受けるが、蛍光板の発光特性、レーザ光の波長、蛍光の波長によっては、蛍光板から発生する蛍光の強度が非常に弱く、イメージセンサ上で、蛍光強度と減衰されたレーザ光の迷光の強度が同程度になる場合がある。その場合、イメージセンサ上に蛍光像以外にレーザ光の迷光がゴーストとして重なって観測されるため、蛍光像を正しく測定できないという問題があった。特にレーザ光と蛍光の波長（バンドパスフィルタの透過波長）が近い場合には、バンドパスフィルタの特性上、入射したレーザ光成分はバンドパスフィルタであまり減衰されない場合があり、レーザ光の迷光によるゴーストの影響を除去できないという問題があった。【００１０】
加えて、レーザ光の強度が強く、且つ細く絞られて入射した場合や、レーザ光が時間でパルス状に照射され、そのパルスの光のピーク強度が高い場合においては、波長分離ミラーを反射又は透過したレーザ光の迷光がたとえ１％であっても、中心部分は高い光強度であるため、バンドパスフィルタやカメラあるいはイメージセンサにダメージを与えるおそれがあるという問題があった。【００１１】
したがって、本発明は、このような従来技術の問題を解決しようとするものであり、波長分離ミラーによって分離されないレーザ光の迷光によるゴーストの影響を除去して、高出力レーザのビームプロファイルを高精度に測定することを可能とすることを目的とする。【００１２】
また、本発明は、レーザ光の迷光によってバンドパスフィルタやカメラあるいはイメージセンサがダメージを受けることを未然に防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した課題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。
本発明は、レーザ光の二次元光強度分布を測定するビームプロファイル測定装置であって、レーザ光が入射する入射面と前記レーザ光が出射する出射面とを有する、板状又はブロック状の蛍光発生素子と、前記蛍光発生素子内で発生し前記出射面から出射する蛍光を、前記レーザ光から分離する光分離素子と、前記蛍光を受けるイメージ素子と、前記光分離素子と前記イメージ素子との間の前記蛍光の光路内に位置するマスクと、を含み、前記マスクは、前記蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する。【００１４】
本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記光分離素子と前記イメージ素子との間に位置する結像光学系をさらに含むとよい。【００１５】
また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、透明な基材と、前記基材の一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜とを含むとよい。【００１６】
さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、前記結像光学系を構成するレンズの一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜を含むとよい。【００１７】
また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部を有する金属板であるとよい。【００１８】
さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部と、前記遮蔽部の周囲に設けられたリム部とを有する金属板であり、前記遮蔽部と前記リム部との間に穴が空けられているとよい。【００１９】
また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクが、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかの形状であるとよい。【００２０】
また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクの遮蔽部が、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかの形状であるとよい。
【発明の効果】
【００２１】
一般にレーザ光及びその迷光はコヒーレント光であり、強い方向性を有して光分離素子とイメージ素子との間の光路において、光路の中心での強度が最も高い。従って、光分離素子とイメージ素子との間の蛍光の光路内に位置するマスクが、その蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、レーザ光の波長の光を遮蔽するように構成することにより、レーザ光の迷光の影響が効果的に除去される。本明細書において「遮蔽」とは、レーザ光の波長の光を透過しないことを意味し、光を反射すること、拡散すること又は吸収することのいずれをも含む。【００２２】
他方、インコヒーレント光である蛍光は、方向性がなく、蛍光板を出射すると周囲に広がり、そのように広がった蛍光の一部が、光分離素子とイメージ素子との間の光路を通過する。広がった蛍光は、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられたマスクよりも大きい。従って、マスクの設置にもかかわらず、マスクの周囲を通過した蛍光がイメージ素子上に正しく結像される。これにより、ゴーストの影響を除去して、蛍光像を正しく測定することができる。このように本発明者は、レーザ光及びその迷光（コヒーレント光）と蛍光（インコヒーレント光）とで光の性質に違いがあることを利用して、レーザ光のみを遮蔽するという着想を得て本発明を完成したものである。【００２３】
他方で、光分離素子とイメージ素子との間の蛍光の光路内に位置するマスクが、レーザ光の迷光を遮蔽するので、レーザ光の迷光によってバンドパスフィルタやカメラあるいはイメージセンサがダメージを受けることを未然に防ぐことができるという利点もある。【００２４】
上記した本発明の目的及び利点並びに他の目的及び利点は、以下の実施の形態の説明を通じてより明確に理解される。もっとも、以下に記述する実施の形態は例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるレーザビームプロファイラの一構成例を示す図である。
【図２】レーザビームプロファイラの構成例を示す図である。
【図３】マスクの構成例を示す模式図である。
【図４】マスクの他の構成例を示す模式図である。
【図５】レーザビームプロファイラの他の構成例を示す図である。
【図６】レーザビームプロファイラの他の構成例を示す図である。
【図７】蛍光を利用したビームプロファイル測定法の従来例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明によるレーザ光のビームプロファイル測定装置の好ましい実施の形態を、レーザ光のビームプロファイル測定装置の複数の例に言及しながら、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１−図６を参照して、本発明によるビームプロファイル測定装置の構成例の概略と機能を以下に説明する。ここで図１は、光分離素子として、レーザ光を透過し蛍光を反射する波長分離ミラーを用い、且つ金属板からなるマスクを用いた、レーザ光透過分離型ビームプロファイラの構成例を示す図、図２は、光分離素子として、レーザ光を反射し蛍光を透過する波長分離ミラーを用い、且つ金属板からなるマスクを用いた、レーザ光反射分離型ビームプロファイラの構成例を示す図である。また、図３は、金属板からなるマスクの構成例を示す模式図、図４は、金属板からなるマスクの他の構成例を示す模式図、図５は、図１に示す金属板のマスクを他のマスクに代替した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラの他の構成例を示す図、そして図６は、図１に示す金属板のマスクを他のマスクに代替した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラの他の構成例を示す図である。
【００２８】
図１に示すレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００の例において、蛍光板１は、波長λ１のレーザ光が入射面１ａから入射したとき、その一部を吸収して内部で波長λ２の蛍光を発生する。発生した蛍光１３は出射面１ｂから、周囲に広がりながら出射する。蛍光板１は、本発明における蛍光発生素子に相当する。ここでは、レーザ光の波長λ１が８０８ｎｍであり、蛍光板１で発生した蛍光のうち、蛍光像を観察しようとする蛍光の波長λ２が１０６４ｎｍである場合の例について、以下に説明する。
【００２９】
蛍光板１は、支持体（図示せず）と接合、一体化された蛍光発生素子を構成してよい。例えば、蛍光発生素子は入射面が６ｍｍ角の正方形の四角柱形状を有してよい。蛍光板１の材質は、例えばＮｄ：ＹＡＧ透光性セラミックで、Ｎｄ濃度は０．７ａｔ．％、厚さは０．０５ｍｍでよい。支持体（図示せず）の材質は、例えばＮｄを含まないＹＡＧ透光性セラミックで、厚さは２ｍｍでよい。蛍光板１と支持体（図示せず）の相対する面（図１において符号１ｂで示す）は、低温融着法により接着剤を使わず接合、一体化してよい。
【００３０】
図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００において、被測定対象のレーザ光の一例として入射させた波長８０８ｎｍのレーザ光１２は、蛍光板１を透過し、さらに波長分離ミラー２を透過し、装置外に排出される。しかし、波長分離ミラー２は、レーザ光１２の透過率１００％を達成することが困難なため、レーザ光１２の一部（通常１〜５％程度のエネルギーのレーザ光）が波長分離ミラー２を反射し、レーザ光の迷光１４となる。ここでは波長分離ミラーのレーザ光１２が透過する２つの面から反射する２つの迷光を示している。波長分離ミラー２は、本発明における光分離素子に相当する。
【００３１】
他方、蛍光板１を透過する際、レーザ光１２の一部は、蛍光板１のＮｄ：ＹＡＧに吸収され、エネルギー変換されてレーザ光強度分布に比例した波長１μｍを中心とする蛍光を周囲に向け発生するが、そのうちの１０６４ｎｍの蛍光１３は波長分離ミラー２で反射して、対物レンズ５、結像レンズ６、及びバンドパスフィルタ８を透過後、ＣＭＯＳイメージセンサ３に到達する。対物レンズ５及び結像レンズ６は、例えば石英製の凸レンズであり、対物レンズ５の焦点距離は５０ｍｍ、結像レンズ６の焦点距離は１００ｍｍであるとよい。対物レンズ５の焦点位置に蛍光板１、結像レンズ６の焦点位置にＣＭＯＳイメージセンサ３が配置され、蛍光板１の蛍光像はＣＭＯＳイメージセンサ３内部の受光面上（図示せず）に２倍に拡大されて結像、映像化される。ＣＭＯＳイメージセンサ３は、本発明におけるイメージ素子に相当する。また、対物レンズ５及び結像レンズ６は結像光学系７に相当する。
【００３２】
バンドパスフィルタ８は、１０６４ｎｍ以外の光がＣＭＯＳイメージセンサ３に到達しないように、１０６４ｎｍ以外の光を大幅に減衰するよう設計されている。バンドパスフィルタ８の１０６４ｎｍにおける透過波長幅は例えば１０ｎｍである。しかし、すでに述べたように、特に、蛍光板１に入射するレーザ光の強度が強く、蛍光板１からＣＭＯＳイメージセンサ３に届く蛍光１３の強度が非常に弱いときには、仮に、波長８０８ｎｍのレーザ光の迷光１４が、このバンドパスフィルタ８で減衰されたとしても、ＣＭＯＳイメージセンサ３に到達するレーザ光の迷光１４の強度が、蛍光１３の強度と同程度になる場合があり、これがゴーストとして、正しい蛍光像に重なって観察されることが従来の問題となっていた。
【００３３】
そこで、波長分離ミラー２とＣＭＯＳイメージセンサ３との間の蛍光１３の光路内にマスク４が設けられている。マスク４は、蛍光１３の光路、すなわち結像光学系の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、レーザ光の波長８０８ｎｍの光を遮蔽するよう構成されている。従って、波長分離ミラー２を反射したレーザ光の迷光１４は、マスク４によって遮蔽され、ＣＭＯＳイメージセンサ３への到達が阻止される。
【００３４】
図３−図４を参照して、マスクの構成例を詳しく説明する。マスク４は、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆う遮蔽部４１を有する金属板でよい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、又はステンレスのいずれかからなる厚さ１ｍｍ程度の金属板に、打ち抜き加工あるいは切削加工等をして穴をあけることにより、遮蔽部４１を形成することができる。
【００３５】
図３を参照して、金属板のマスク４は、遮蔽部４１と、遮蔽部４１の周囲に設けられたリム部４３とを有し、遮蔽部４１とリム部４３との間に穴４２があけられている構成としてよい。金属板のマスク４は、遮蔽部４１を支持するために、遮蔽部４１とリム部４３との間をつなぐブリッジ４５を有してよい。図３は、遮蔽部４１を支持するブリッジの異なる構成例を示しており、図３（ａ）は１本のブリッジ、図３（ｂ）は２本のブリッジ、図３（ｃ）は３本のブリッジをそれぞれ有している。
【００３６】
金属板のマスク４は、最も簡便に且つ安価に製作できる点で有利である。マスク４の材料がアルミニウムである場合、さらに表面に白アルマイト処理をして光を反射させてよく、逆に黒アルマイト処理をしてレーザ光の迷光を吸収させてもよい。光を吸収させる場合、遮光部４１の温度が上がるために、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウムや銅又は銅合金を用いるのが好ましい。
【００３７】
上述のとおり、図３に示すような金属板のマスク４は、遮蔽部４１の周囲に穴４２をあけて構成することができるが、この穴には空気しか存在しないため、蛍光の光路内へのマスク４の設置如何によって、結像光学系全体の光路長が変化することがない。従って、蛍光の光路内にマスク４を挿入しても光学系を再調整する必要がないという利点があることに加えて、種々の形状あるいはサイズの遮蔽部４１を有する複数のマスクを用意しておき、測定対象に応じて任意にマスクを選択して挿入することもできるという利点もあり、実用性が高い。
【００３８】
マスクは、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられればよく、マスクの形状は特に限定されない。マスクの形状は、例えば、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかでよい。図３に示す例において、遮蔽部４１の形状がマスク４の形状に対応し、これらの例においてマスクの形状は円である。リム部４３の形状は、本発明におけるマスクの形状に関係しない。
【００３９】
図４を参照して、マスクの他の構成例を説明する。図４（ａ）は遮蔽部５１の形状が方形である例、図４（ｂ）は遮蔽部５３の形状が長方形である例、図４（ｃ）は遮蔽部５５の形状が直線である例をそれぞれ示している。これらの例においても、遮蔽部５１、５３、５５の形状がマスクの形状に対応し、リム部４３の形状は、本発明におけるマスクの形状に関係しない。これらの例を含め、マスクの形状が直線、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかである場合、マスクのいずれかの一辺が、波長分離ミラー２でのｐ偏光方向と平行となるようアラインされているとよい。このようにマスクをアラインする構成は、波長分離ミラー２の表面と裏面で反射されるレーザ光の迷光を、効率よく除去できるので有利である。
【００４０】
一般的に、マスクの形状とサイズは、入射を予定するレーザ光１２の形状、サイズ、結像光学系７のサイズ等を考慮して決めてよい。レーザ光１２は、蛍光板１から広がらずにほぼ直線的に進むと考えられることから、マスク４の遮蔽部４１の形状は、蛍光板１の形状（例えば円形）と同じにしてよく、遮蔽部４１のサイズは、蛍光板１のサイズとほぼ同じか若干大きくてよい。
【００４１】
遮蔽部４１の面積は、結像光学系のレンズの面積に対して１／３以下であることが好ましい。遮蔽部４１の面積が大きい方が、レーザ光の遮蔽効果は高くなるが、遮蔽部４１の比率が高まるにつれ、マスク４の遮蔽部４１以外の領域（例えば穴）を通り抜けて、ＣＭＯＳイメージセンサ３に到達する蛍光の光量が減少するため、観測される蛍光強度分布（レーザ光強度分布）が暗くなり、Ｓ／Ｎが低下する。また、レーザ光１２は、蛍光板１から広がらずにほぼ直線的に進むと考えられることから、波長分離ミラー２で反射されたレーザ光は、蛍光の光路の中心を含む中央部分を覆う遮蔽部４１の面積をある面積（例えば、蛍光板１の面積よりも若干大きい面積）以上に大きくしても、レーザ光の遮蔽効果にあまり変化がないのに、蛍光像は逆に暗くなることに留意すべきである。
【００４２】
再び図１を参照して、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００において、マスク４は、波長分離ミラー２とＣＭＯＳイメージセンサ３との間の蛍光１３の光路内のどの位置に設けてよいが、結像光学系７の前後の近い位置に設けられるのが好ましい。マスク４がＣＭＯＳイメージセンサ３に近すぎると、マスク４で遮光された部分が影となってＣＭＯＳイメージセンサ３に映り、蛍光像の計測に影響する場合がある。より好ましくは、マスク４は、蛍光１３が入射する結合光学系７の直前に設けられるとよい。かかるマスク４の配置は、レーザ光の迷光１４の強度が強い場合であっても、結像光学系７を構成する対物レンズ５及び結像レンズ６、バンドパスフィルタ８が、レーザ光によってダメージを受けるのを回避することができるので、より有利である。
【００４３】
次に、図２を参照して、本発明によるレーザ光のビームプロファイル測定装置の他の例を説明する。図２はレーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００の構成例を示している。
【００４４】
図２に示すレーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００の例において、蛍光板２１は、波長λ１のレーザ光が入射面２１ａから入射したとき、その一部を吸収して内部で波長λ２の蛍光を発生する。発生した蛍光１３は出射面２１ｂから、周囲に広がりながら出射する。蛍光板２１は、本発明における蛍光発生素子に相当する。ここでは、レーザ光の波長λ１が８０８ｎｍであり、蛍光板２１で発生した蛍光のうち、蛍光像を観察しようとする蛍光の波長λ２が１０６４ｎｍである場合の例について、以下に説明する。
【００４５】
蛍光板２１は、支持体（図示せず）と接合、一体化された蛍光発生素子を構成してよい。例えば、蛍光発生素子は直径１０ｍｍの円筒形状を有して良い。蛍光板２１の材質は、例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶でＮｄ濃度は１．０ａｔ．％、厚さは０．２ｍｍでよく、支持体（図示せず）の材質は、例えばＮｄを含まないＹＡＧ結晶で、厚さは２ｍｍでよい。蛍光板２１と支持体（図示せず）の相対する面（図２において符号２１ｂで示す）は、熱圧着法により接着剤を使わず接合、一体化してよい。
【００４６】
図２に示したレーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００において、被測定対象のレーザ光の波長の一例として入射させた８０８ｎｍのレーザ光１２は、蛍光板２１を透過し、波長分離ミラー２２で反射して、装置外に排出される。しかし、波長分離ミラー２２は、レーザ光１２の反射率１００％を達成することが困難なため、レーザ光１２の一部（通常１〜５％程度のエネルギーのレーザ光）が波長分離ミラー２２を透過し、レーザ光の迷光１４となる。波長分離ミラー２２は、本発明における光分離素子に相当する。
【００４７】
他方、蛍光板２１を透過する際、レーザ光の一部は、蛍光板２１のＮｄ：ＹＡＧに吸収され、エネルギー変換されてレーザ光強度分布に比例した波長１μｍを中心とする蛍光を周囲に向け発生するが、そのうちの１０６４ｎｍの蛍光１３は波長分離ミラー２２を透過して、対物レンズ２５、結像レンズ２６、及びバンドパスフィルタ８を透過後、ＣＭＯＳイメージセンサ３に到達する。対物レンズ２５及び結像レンズ２６は、例えば一般名称「ＢＫ７」で知られる光学ガラス製の凸レンズでよく、レンズの焦点距離は共に５０ｍｍであるとよい。さらに対物レンズ２５の焦点位置に蛍光板２１、結像レンズ２６の焦点位置にＣＭＯＳイメージセンサ３が位置しており、この構成で蛍光板２１の蛍光像は１：１でＣＭＯＳイメージセンサ３内の受光面上（図示せず）に結像される。
【００４８】
マスク４の構成と位置は、図１に示したレーザ光反射透過型ビームプロファイラ１００の例におけるマスク４の構成と位置と同様でよい。図２に示したレーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００におけるマスク４の機能は、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００の例におけるマスク４の機能と同様であるので、ここでの詳しい説明は省略する。波長分離ミラー２２によるレーザ光１２及び蛍光１３の反射及び透過の機能が異なる点を除いて、レーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００もまた、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００の達成する効果と同様の効果を達成することができる。
【００４９】
次に、図５を参照して、レーザ光のビームプロファイル測定装置の他の例を説明する。図５はレーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００の構成例を示している。図５に示す構成例において、図１に示した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００における金属板のマスク４の代替として、透明な基材６１と、基材６１の一方の面上に形成された、レーザ光の波長の光を遮蔽する膜６３とを含むマスク４を用いている。他の構成部分は、図１に示した構成例の構成部分と同様である。
【００５０】
透明な基材６１の材質としては、石英やＢＫ７等のガラス材料、サファイア等の無機結晶材料や、アクリルなどのプラスチック等でよく、膜６３は、金属膜又は誘電体膜でよい。金属膜の材質としては、金、銀、ニッケル、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、クロム等であってよいし、これらの積層でもよい。また、誘電体膜の材質としては、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２、ＹＦ３、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等でよい。これらの金属材料又は誘電体材料のうち１つ又は複数を用いて、特定の厚さ（例えば０．５μｍ以上）の単層の薄膜、あるいは異なる材料の複数の膜を特定の厚さで積層した多層膜を形成してよい。膜６３を形成する方法としては、基材６１の表面で膜６３を形成する部分以外の部分にマスキングをしてから、真空中で材料を加熱して基材６１の表面に付着させる真空蒸着法や、材料に別のイオンをぶつけて材料を弾き飛ばし基材６１の表面に付着させるスパッター法等があるが、特に限定されない。また、金属膜の場合、基材６１の表面に接着剤あるいは接着フィルム等を介して貼着してもよい。
【００５１】
膜６３の形状及びサイズは、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００におけるマスク４の遮蔽部４１又は遮蔽部５１、５３、５５の形状及びサイズと同様でよい。図５に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００におけるマスク４の機能は、図１に示したレーザ光透過型ビームプロファイラ１００の例におけるマスク４の機能と同様であるので、ここでの詳しい説明は省略する。レーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００もまた、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００の達成する効果と同様の効果を達成することができる。透明な基材６１の上に膜６３を形成したマスク４を用いる場合、図３に示した金属板のマスク４と比較してブリッジ４５が不要であるため、蛍光が透過する部分の面積を大きくすることができ、Ｓ／Ｎを改善することができる。
【００５２】
次に、図６を参照して、レーザ光のビームプロファイル測定装置の他の例を説明する。図６はレーザ光透過分離型ビームプロファイラ４００の構成例を示している。図６に示す構成例において、図１に示した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００における金属板のマスク４の代替として、結像光学系７を構成する対物レンズ５の一方の面上に形成された、レーザ光の波長の光を遮蔽する膜７３を含むマスク４を用いている。他の構成部分は、図１に示した構成例の構成部分と同様である。
【００５３】
対物レンズ５の表面に形成される膜７３は、図５に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００における、基材６１の表面に形成される膜６３と同様の金属膜又は誘電体膜でよく、材質や膜の構成についての詳しい説明は省略する。また、膜７３を形成する方法も、対物レンズ５の表面で膜７３を形成する部分以外の部分にマスキングをしてから、真空中で材料を加熱して対物レンズ５の表面に付着させる真空蒸着法や、材料に別のイオンをぶつけて材料を弾き飛ばし対物レンズ５の表面に付着させるスパッター法等があるが、特に限定されない。さらに、金属膜の場合、対物レンズ５の表面に接着剤あるいは接着フィルム等を介して貼着してもよい。
【００５４】
レーザ光透過分離型ビームプロファイラ４００もまた、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００、及び図５に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００が達成する効果と同様の効果を達成することができる。
【００５５】
以上の例においては蛍光板１の例としてＮｄ：ＹＡＧを媒質として挙げたが、蛍光板１の材質としてこれに限定されるものではなく、この他に、９４０ｎｍ、９７０ｎｍの光を吸収して１０３０ｎｍの蛍光を発するＹｂ：ＹＡＧ、又は蛍光寿命を下げる目的でＹｂ：ＹＡＧにＣｒ４＋イオンを添加したＣｒ，Ｙｂ：ＹＡＧでもよく、７８５ｎｍや１．５μｍ近傍の光を吸収して１．６μｍや２．９μｍの蛍光を発するＥｒ：ＹＡＧでもよく、７８０ｎｍ、７８５ｎｍの光を吸収して２．０１μｍの蛍光を発するＴｍ：ＹＡＧでもよく、１．９μｍ近傍の光を吸収して、２．０１μｍの蛍光を発するＨｏ：ＹＡＧでもよく、７８０ｎｍ近傍の光を吸収して、２．０８μｍの蛍光を発するＣｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧでもよく、３５０ｎｍ、４５０ｎｍ近傍の光を吸収して５５０ｎｍの蛍光を発するＣｅ：ＹＡＧでもよい。また、可視光領域を吸収して１μｍの蛍光を発するＣｒ３＋イオンを添加したＣｒ，Ｎｄ：ＹＡＧでもよい。以上記述した吸収波長や蛍光の波長は代表的な例であって、その媒質固有の吸収波長帯、蛍光波長の中から、個々の目的、仕様に応じて選択すればよい。検出する蛍光波長も必ずしもその媒質の蛍光ピーク波長に設定する必要はなく、蛍光ピーク波長から離れた波長で検出するようにバンドパスフィルタ８の透過波長を設定してもよい。また、以上の例では蛍光板、支持体（図示せず）の母材としてＹＡＧを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、透明な材料であれば石英やＢＫ７のようなガラス材料でもよいし、ＹＡＧより熱伝導の高いＹ２Ｏ３やＬｕ２Ｏ３、ＬｕＡＧ、ＹＡＰ、Ｓｃ２Ｏ３、ＧＧＧ、ＧＳＧＧ、ＹＳＧＧ、ＹＳＯ、サファイアでもよい。また、母材の結晶性としては単結晶でもよいし、透光性セラミックでもよい。蛍光板としてはさらに、以上述べた遷移金属や希土類のイオンを分散した無機材料以外に、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅといったII−VI族半導体ナノ粒子をガラスやプラスチック中に分散固定したものでもよい。測定したいレーザ光の波長を吸収する媒質を選べばよい。蛍光板１と支持体（図示せず）との接合は、透明な接着剤を用いても良いし、接着剤を用いず、合わせる面を互いに高精度に研磨して押し付けた光学接着（オプティカルコンタクト）でもよいが、接着強度の点では温度を上げて接着する熱圧着、拡散接合（高温融着）や低温融着がより好ましい。蛍光板１の発熱による変形を避けるためには、蛍光板１と支持体（図示せず）は膨張係数が近い、同じ母材であることがより好ましいが、発熱が小さければ支持体（図示せず）には蛍光板１とは別の母材、例えば蛍光板１の母材がＹＡＧで支持体が熱伝導の良いサファイアであってもよい。また、蛍光板１の厚みはビームの光軸方向の測定位置精度を上げるためには薄い方が望ましい。しかし蛍光板１を薄くするとレーザ光の透過する距離が減り、発生する蛍光の強度が低下するので、蛍光板１への蛍光元素の添加量を増やすことにより所望の蛍光の強度が得られるようにするとよい。
【００５６】
以上の例において、対物レンズ５と結像レンズ６に焦点距離の異なるレンズを用いて蛍光板１のイメージを1：２でイメージセンサ３上に結像する例と、対物レンズ２５と結像レンズ２６に焦点距離が同じレンズを用いて、蛍光板１のイメージを１：１でイメージセンサ３上に結像する例とを示した。しかし、これ以外の焦点距離の異なるレンズを用いて、蛍光板１上の像をイメージセンサ３上に拡大、あるいは縮小して投影してもよく、レンズを３枚以上用いた結像光学系であってもよく、また、簡便にレンズを１枚用いた結像光学系であってもよく、特に限定されない。また、レンズは、両面球面レンズでもよく、平凸レンズ、貼り合わせのアクロマティックレンズ、非球面レンズでもよい。
【００５７】
さらにバンドパスフィルタ８の位置について、光の強度が最も低くなる結像光学系７の直後にこれを置く構成を上記例では示したが、かかる位置とは異なる位置に配置してもよく、結像光学系７の対物レンズ５と結像レンズ６との間に配置してもよい。又は、必要に応じて複数枚のフィルタを用いてもよい。さらに、イメージ素子として用いるＣＭＯＳあるいはＣＣＤイメージセンサとしては、その蛍光板が発する蛍光の波長で適切な感度がある、例えばＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ等の材料が選択されるとよい。
【産業上の利用分野】
【００５８】
本発明は、レーザ光のビームプロファイルを計測する機能を有する種々の装置に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１、２１    蛍光板
１ａ、２１ａ    レーザ光の入射面
１ｂ、２１ｂ    レーザ光の出射面
１２    レーザ光
１３    蛍光
１４    レーザ光の迷光
２、２２    波長分離ミラー（光分離素子）
３    イメージセンサ
４    マスク
５、２５    対物レンズ
６、２６    結像レンズ
７    結像光学系
８    バンドパスフィルタ
４１、５１、５３、５５    遮蔽部
４２    穴
４３    リム部
４５    ブリッジ
６１    基材
６３、７３    膜
【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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【国際調査報告】
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