JP2004325176A - 光干渉測定装置およびこれを用いた光干渉測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】構成が容易で、光の可干渉性を安定に測定する光干渉測定装置およびこれを用いた光干渉測定方法を提供する。
【解決手段】対向して配置された第一の透過型回折格子11および第二の透過型回折格子12と、第一の透過型回折格子11に入射し、第二の透過型回折格子12から出射した回折光21の空間強度分布を測定する空間強度分布測定装置13とからなる光干渉測定装置において、第一の透過型回折格子11および第二の透過型回折格子12は、それぞれの基板11a、12aに形成された溝11b、12bの長手方向が平行になるように配置し、かつ、空間強度分布測定装置13は、第二の透過型回折格子12から回折光21が出射する位置に配置する。
【選択図】 図1
【解決手段】対向して配置された第一の透過型回折格子11および第二の透過型回折格子12と、第一の透過型回折格子11に入射し、第二の透過型回折格子12から出射した回折光21の空間強度分布を測定する空間強度分布測定装置13とからなる光干渉測定装置において、第一の透過型回折格子11および第二の透過型回折格子12は、それぞれの基板11a、12aに形成された溝11b、12bの長手方向が平行になるように配置し、かつ、空間強度分布測定装置13は、第二の透過型回折格子12から回折光21が出射する位置に配置する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光計測、光加工などの幅広い範囲で用いられるレーザ光の品質を評価するための光干渉測定装置およびこれを用いた光干渉測定方法に関するものであり、特に、レーザ光の可干渉性を測定する光干渉測定装置およびこれを用いた光干渉測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ光は、高いエネルギー密度、高い指向性、高い可干渉性を有するため、産業の様々な分野で用いられている。特に、可干渉性はレーザ光の性質の中で重要なものであり、この可干渉性を利用した計測や、レーザ加工が行われている。
【0003】
レーザ光の可干渉性を利用した加工により作製されているものとしては、例えば、光通信の分野で用いられる光ファイバグレーティングが挙げられる。光ファイバグレーティングは、ゲルマニウム添加石英は紫外線照射により屈折率が上昇するという現象を利用して、紫外線レーザ光の干渉によりできた干渉縞を光ファイバの側面から照射することで、光ファイバのコアの屈折率を周期的に変化させた光素子である。
【0004】
このとき、光ファイバへの照射に用いる紫外線レーザ光の可干渉性(以下、「コヒーレンス」とも言う。)が、グレーティングの特性に大きな影響を及ぼす。コヒーレンスとは、光がどれだけ干渉しやすいかを示す指標であり、コヒーレンスが高いほど、よりコントラストの高い干渉縞を形成できる。良好な特性の光ファイバグレーティングを作製するには、高いコヒーレンスを持つレーザ光が必要となる。
【0005】
また、光のコヒーレンスが重要となる別の例としては、半導体集積回路などに用いられるマスクパターン露光装置がある。集積回路の作製においては、所望の回路パターンを有するマスクを準備し、レジストを塗布した半導体基板上に、このマスクパターンの露光を行う。
一般的に、このようなマスクパターンの露光では、マスクパターンの大きさは露光を行う光の波長よりも小さくなっている。そのため、露光を行う光の干渉性が高いと、干渉の影響により所望の回路パターンを半導体基板上に形成できない。また、コヒーレンスが高いと、スペックルと呼ばれる空間的にランダムな光の強度分布が生じ易く、良好なパターンを半導体基板上に形成できない。したがって、マスクパターンの露光では、光のコヒーレンスができるだけ低い方が望ましく、コヒーレンスを低下させる方法が必要になる。
【0006】
以上述べたように、光のコヒーレンスは、レーザ光を利用する際に考慮すべき重要な特性である。このため、光のコヒーレンスを定量的に評価する方法が必要である。
【0007】
光のコヒーレンスには、空間コヒーレンスと時間コヒーレンスの2種類がある。
空間コヒーレンスは、光が伝搬する方向と直交する面内において、空間的に離れた2点における光の場の干渉性を表すものである。一般的に、この2点間の距離が近い程コヒーレンスは高く、2点間の距離が離れる程コヒーレンスは低下する。
時間コヒーレンスは、ある1つの観測点において異なる時刻における光の位相に、どれだけ相関関係があるかを表すものである。
【0008】
従来、光のコヒーレンスを測定するために、例えば、2重ピンホールによる方法や、マイケルソン型干渉計を用いる方法が用いられている。
(1)2重ピンホールによる方法
光のコヒーレンスを測定する単純な方法は、測定したい2つの点にピンホールを配置し、ピンホールの後方(光の進行方向)にできる光の強度分布を観測する方法である。これは、ヤングの干渉実験として知られている。
【0009】
図11を用いて、この測定方法の原理を説明する。
まず、光の干渉縞を観測するための観測面101から十分に離れた位置に、2つのピンホール102a、102aが空けられた遮蔽板102を、このピンホール102a、102aの設けられた面が観測面101と平行になるように配置する。
【0010】
次に、ピンホール102a、102aから光110を入射すると、ピンホール102a、102aを通過した光は回折して、いろいろな方向に広がりを持つ回折光111となる。このとき、観測面101では、2つのピンホール102a、102aからの回折光111が重なり合って観測される。光110のコヒーレンスが高いと、図11に示すように、周期的な光強度の変動(干渉縞)が観測される。
【0011】
観測面110で観測される干渉縞のコントラストと、2つのピンホール102a、102aの位置における光のコヒーレンスには関係がある。
ここで、コントラストとは、干渉縞の周期的なうねりの極大値をPmax、極小値をPminとしたときに、下記式(1)で表される量のことである。
【0012】
【数1】
【0013】
光110が完全にコヒーレントな場合(Pmin=0)、干渉縞のコントラストは1になる。一方、完全にインコヒーレントな(干渉性がない)場合(Pmax=Pmin)、干渉縞のコントラストは0になる。このように、干渉縞のコントラストから、光のコヒーレンスを定量的に評価することができる。
【0014】
光のコヒーレンスは、観測する2点間の距離の関数である。すなわち、図11に示した例の場合、2つのピンホール102a、102a間の距離を変えると、測定される光のコヒーレンスは変化する。2点間の距離が大きいほど、光のコヒーレンスは低下する。図12に、このような光のコヒーレンスの変化を模式的に示す。光のコヒーレンスの高い領域と低い領域の境界となる値を適当に設定すると(図12では、光のコヒーレンス=0.5を境界とする。)、光がコヒーレント状態となる2点間の距離を求めることができる。一般的に、このような2点間の距離は空間コヒーレンス長と呼ばれている(例えば、特許文献1参照。)。
【0015】
(2)マイケルソン型干渉計を用いる方法
図13は、マイケルソン型干渉計の構造を模式的に示す図である。
このマイケルソン型干渉計において、入射光121は、半透鏡131に入射すると、基準プリズムミラー132に向かう光122aと、可動プリズムミラー133に向かう光123aに分割される。それぞれのミラーで反射された光122b、123bは半透鏡131に戻り、これらの光が半透鏡131で再び重ね合わせられて出射光124になる。
【0016】
基準プリズムミラー132、可動プリズムミラー133の設置角度を調整して、2つの光122b、123bが重ね合わせられるときに、完全に進む方向が同じではなく、ある角度をもって進むようにすると、出射光124の観測面では干渉縞を観測することができる。
基準プリズムミラー132で反射された光122bと、可動プリズムミラー133で反射された光123bが再び重ね合わせられるまでの長さが完全に同じ場合には、2つの光122b、123bは全く同じ位相にあるので、完全な干渉縞(コントラストが1)が得られる。
【0017】
ここで、可動プリズムミラー133を図13中のx軸方向に移動すると、可動プリズムミラー133側の光路長が変化して、2つの光122b、123bは異なる時間に観測面に到達する。このとき、干渉縞のコントラストは、時間コヒーレンスに応じて変化する。このように、可動プリズムミラー133のx軸方向への移動距離と、干渉縞のコントラストの変化を観測することにより、時間コヒーレンス長を測定できる。
【0018】
一方、2つの光122a(122b)、123a(123b)の光路長を同一に設定しておき、可動プリズムミラー133を図13中y軸方向に移動すると、分割された2つの光122a、123aは可動プリズムミラー133が移動した距離だけずれた状態で重ね合わせられる。このとき、干渉縞は、その面内の空間コヒーレンスに対応して変化する。可動プリズムミラー133のy軸方向への移動距離と、干渉縞のコントラストの変化を観測することにより、空間コヒーレンス長を測定できる(例えば、特許文献2参照。)。
【0019】
【特許文献1】
特開平7−311094号公報
【特許文献2】
特公平6−63868号公報
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような光のコヒーレンスを測定する方法では、以下のような問題がある。
2重ピンホールによる方法では、2つの近接したピンホールが設けられた遮蔽板を用いるが、通常、測定したい光(以下、「被測定光」と称する。)のコヒーレンス長は1mm前後であるため、ピンホールの加工には高い精度が要求される。したがって、このようなピンホールを有する遮蔽板は高価なものとなる。
【0021】
また、遮蔽板に設けられたピンホールの距離は可変ではないため、特定の光のコヒーレンス長しか測定できない。
レーザ光の空間コヒーレンスを測定するためには、2つのピンホール間の距離を変えた遮蔽板を数個用意して、これらの遮蔽板を交換して多数回コヒーレンスを測定しなければならない。そのため、測定が非常に煩雑になり、時間がかかるという問題がある。
【0022】
また、この方法では、コヒーレンスの測定は、レーザ光のあるポイントに限られる。レーザ光の進行方向に垂直な面内におけるコヒーレンスの分布の計測をするためには、レーザ光内において、ピンホールを配置する位置を変え、多数回測定する必要がある。
また、ピンホールは非常に小さいために、ここを通過する光のパワーも小さい。したがって、観測できる干渉縞の強度も弱くなり、測定誤差が大きくなる原因となる。正確な測定を行おうとすると、測定時間は長くなるという問題がある。
【0023】
マイケルソン型干渉計を用いる方法では、マイケルソン型干渉計を構成する部品数が多く、この装置の価格は非常に高くなる。また、マイケルソン型干渉計を構成する際には、μm単位での部品設置精度が要求されるため、この装置を組み立てるのが非常に難しい。さらに、一旦、この装置を組み立てた後でも、衝撃などにより狂いが生じ易いといった問題がある。そして、測定の際には、測定する環境の振動により、干渉縞の強度分布が容易に変わるという問題がある。このため、正確な測定を行うためには、周囲の振動を抑えるといった工夫が必要になる。また、装置全体も大型化するため、容易に測定したいレーザ光の場所へ移動するのが困難である。
【0024】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、構成が容易で、光の可干渉性を安定に測定する光干渉測定装置およびこれを用いた光干渉測定方法を提供することを目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、対向して配置された第一の透過型回折格子および第二の透過型回折格子と、該第一の透過型回折格子に入射し、該第二の透過型回折格子から出射した被測定光の空間強度分布を測定する装置とからなる光干渉測定装置において、前記第一の透過型回折格子および前記第二の透過型回折格子は、それぞれの基板に形成された溝の長手方向が平行になるように配置され、かつ、前記光の空間強度分布を測定する装置は、前記第二の透過型回折格子から被測定光が出射する位置に配置された光干渉測定装置を提供する。
【0026】
上記構成の光干渉測定装置において、前記第一の透過型回折格子および前記第二の透過型回折格子は石英ガラスからなることが好ましい。
【0027】
上記構成の光干渉測定装置において、前記第二の透過型回折格子から出射した被測定光に生じる干渉縞の周期は0.1mm以上、10mm以下であることが好ましい。
【0028】
上記構成の光干渉測定装置において、前記第一の透過型回折格子の0次の回折強度が、被測定光の波長において入射強度の5%以下であることが好ましい。
【0029】
上記構成の光干渉測定装置において、前記第一の透過型回折格子または前記第二の透過型回折格子の少なくとも一方は、被測定光の伝搬方向に可動であることが好ましい。
【0030】
上記構成の光干渉測定装置において、前記被測定光の空間強度分布を測定する装置は、CCDカメラであることが好ましい。
【0031】
また、本発明は、上記の光干渉測定装置を用いて、前記第二の透過型回折格子から出射した被測定光に生じる干渉縞のコントラストを測定し、該コントラストから被測定光の可干渉性を測定する光干渉測定方法を提供する。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図1は、本発明の光干渉測定装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
この実施形態の光干渉測定装置は、対向して配置された第一の透過型回折格子11および第二の透過型回折格子12と、第二の透過型回折格子12に対向して配置された空間強度分布測定装置13とから概略構成されている。
【0033】
(透過型回折格子の機能)
まず、この実施形態で用いられる第一の透過型回折格子11、第二の透過型回折格子12の機能について説明する。
第一の透過型回折格子11は、透明基板11a上に、周期的に凹凸の溝11bを形成してなるものであり、第二の透過型回折格子12は、透明基板12a上に、周期的に凹凸の溝12bを形成してなるものである。図1では、溝11b、12bの断面形状は矩形状であるが、本発明の光干渉測定装置はこれに限定されない。溝11b、12bの断面形状は周期的に形成されていれば、正弦波状のものや、三角波状のものでもよい。
【0034】
第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12は、溝11b、12bが形成されている面を対向するように配置されることが望ましい。
溝11b、12bが対向されていない場合、入射光20は、第一の透過型回折格子11の格子面(溝11bが形成されている面)から、第二の透過型回折格子12の格子面(溝12bが形成されている面)に到達するまでに、透明基板11a、12aを通過することになる。したがって、透明基板11a、12aの厚さ以下に、第一の透過型回折格子11の格子面と第二の透過型回折格子12の格子面との間隔を設定することができない。通常、透明基板11a、12aの厚さは1mm以上であるが、測定する入射光20のコヒーレンス長は1mm以下の場合もあるため、この場合、コヒーレンスの測定はできない。そこで、溝11b、12bを対向配置すれば、測定できるコヒーレンス長をほぼ0まで小さくすることが可能となり、広い測定範囲を実現できる。
【0035】
透明基板11a、12aを構成する材料としては、被測定光を透過する波長において透過率が十分に高いものが用いられる。例えば、被測定光が可視光の場合、通常のBK7といった光学ガラスを用いることができる。また、被測定光が紫外光の場合、紫外線の透過率が高い石英ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムなどが用いられるが、これらの中でも、比較的安価に入手することができ、回折格子の形成も容易であるという観点から、石英ガラスが好ましく用いられる。
【0036】
このような第一の透過型回折格子11または第二の透過型回折格子12に、光を入射すると、光の回折現象により、伝搬方向を複数有する回折光が出射される。図2は、透過型回折格子に入射した光の回折光の様子を示す模式図である。
図2に示すように、入射光20と同じ方向に出射する回折光21を0次光と称し、0次光に対する出射方向のなす角度θの小さい順に、+(−)1次光、+(−)2次光と称する。また、0次光に対する出射角度を回折角θと称する。+1次光と−1次光は同じ回折角θを有する。図2の例では、2次光までしか描かれていないが、入射光20の波長、第一の透過型回折格子11または第二の透過型回折格子12の格子(溝)の周期により、さらに高次の回折光21が発生する場合もある。
【0037】
回折角θは、溝11b(12b)の凹凸の周期Λと、入射光20の波長λにより決定される。n次の回折光21の回折角θをθnとすると、下記式(2)の関係が成り立つ。
【0038】
【数2】
【0039】
回折光21の相対的な光強度は、溝11b(12b)の深さで決定される。溝11b(12b)の凹凸により、回折光21の位相が変化を受けるが、溝のある部分とない部分で受ける回折光21の位相差Φが下記式(3)を満たすとき、0次光の方向に進む回折光21の位相差が、凹部と凸部で逆相になり打消し合う。したがって、0次光の強度は0になる。下記式(3)において、mは0以上の整数である。
【0040】
【数3】
【0041】
(本発明の原理)
次に、このような第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12を対向配置させて、これらの透過型回折格子に光を入射した場合について説明する。
第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12を対向配置させる際には、それぞれの基板11a、12aに形成されている溝11b、12bが対向するように、かつ、溝11bと溝12bの長手方向が平行となるように配置させる。
【0042】
ここで、第一の透過型回折格子11の周期をΛ1、第二の透過型回折格子12の周期をΛ2とする。また、それぞれの溝11b、12bの深さを、入射光20の0次光の強度が0になるように調整する。
入射光20が第一の透過型回折格子11に入射したときに、第一の透過型回折格子11から出射する光は、主に+1次光と−1次光の回折光であり、回折角θ1は下記式(4)のように表される。
【0043】
【数4】
【0044】
上記式(4)の符号は、それぞれ+1次と−1次の回折光に対応する。
次に、第一の透過型回折格子11から出射した回折光が第二の透過型回折格子12に入射する。このとき、第二の透過型回折格子12から出射する回折光の角度θ2は下記式(5)で表される。
【0045】
【数5】
【0046】
第一の透過型回折格子11の周期Λ1と、第二の透過型回折格子12の周期Λ2との周期が近い場合、図3(a)に示すように、第一の透過型回折格子11の−1次光を入射光とする第二の透過型回折格子12の+1次光22と、図3(b)に示すように、第一の透過型回折格子11の+1次光を入射光とする第二の透過型回折格子12の−1次光23とは、それぞれ入射光20の進行方向と近い回折角度になる。
この結果、図4に示すように、これらの2つの出射光(+1次光22、−1次光23)は互いに重なり合って、出射光24として出射される。また、+1次光22、−1次光23は、第一の透過型回折格子11におる回折により第二の透過型回折格子12における入射位置が異なるため、x軸方向にずれた形で重なり合う。
【0047】
+1次光22、−1次光23が、入射光20の進行方向(回折の0次光)となす角度θ2´は、上記式(4)、(5)を用いて、下記式(6)で表される。
【0048】
【数6】
【0049】
周期Λ1と周期Λ2が同じ場合、角度θ2´は0となり、+1次光22と−1次光23は全く同じ方向に進む。+1次光22と−1次光23が全く同じ方向に進む場合、干渉縞は観測されない。
一方、周期Λ1と周期Λ2が異なる場合には、+1次光22と−1次光23との進行方向は同一ではなく、両者の進行方向は角度をなし、角度θ2´は0でなくなるため、周期的な干渉縞を観測することができる。
【0050】
図5に示すように、2つのコヒーレントな光25、26がある角度Φをもって重なり合うと、光25、26が重なり合った領域では光の干渉縞を観測することができる。ここで、干渉縞27の周期pは、下記式(7)で表される。
【0051】
【数7】
【0052】
したがって、第一の透過型回折格子11を透過し、第二の透過型回折格子12から出射した回折光の干渉により観測される干渉縞の周期pは、上記式(6)、(7)を用いて、下記式(8)で表される。下記式(8)において、干渉縞の周期は、周期Λ1と周期Λ2を適当に選択することにより、任意の値に設定することができる。
【0053】
【数8】
【0054】
前述の通り、図4に示したような+1次光22と−1次光23は、x軸方向にずれて重ね合わせられて干渉しているため、干渉縞のコントラストを測定することにより、x軸方向におけるコヒーレンスの状態が分かる。
また、図4に示したx軸方向でのビームの変位量Δxは、第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12との間隔を変えることにより、容易に変えることができる。すなわち、第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12との間隔をdとすると、第一の透過型回折格子11で回折した光が第二の透過型回折格子12に到達したときは、x軸方向に対して、Δxの距離だけずれている。このΔxは、下記式(9)で表される。
【0055】
【数9】
【0056】
上記式(9)から、その距離Δxだけ離れた位置において、コヒーレンスの測定が可能である。すなわち、第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12との間隔dを変えながら、干渉縞のコントラストを測定すれば、レーザビームの進行方向に垂直な面内において、注目する2点の距離を変えたときのコヒーレンスの様子が分かり、コヒーレンス長を測定できる。
【0057】
(干渉縞の測定)
干渉縞は出射した光のどの面でも生じているため、回折格子から光強度分布測定装置までの距離は精密に調整する必要はない。ただし、図1に示したように、高次の回折光も出射されているため、注意が必要である。回折格子に近い領域では、出力光と高次回折光が重なるため、その領域に強度分布測定器を置くと誤差が生じる。
最初の高次回折光と出力光のなす角度ψは、下記式(10)で表される。
【0058】
【数10】
【0059】
このとき、図6に示すように、測定される入射光30の幅をwとし、第二の透過型回折格子12から出射した出射光31と高次光32とが重ならなくなる位置までの第二の透過型回折格子12からの距離Lは、下記式(11)で表される。
【0060】
【数11】
【0061】
上記式(10)と(11)から、距離Lを求めることができる。
例えば、光の波長を0.248μm、ビーム径を1mm、第一の透過型回折格子11の周期Λ1を1.070μm、第二の透過型回折格子12の周期Λ2を1.071μmとすると、距離Lは1.98mmとなる。この計算結果から、第二の透過型回折格子12から1.98mm以上離れれば、高次光32の影響を受けずに、出射光31の干渉縞の測定をすることができる。
【0062】
出射光の干渉縞の測定には、光の空間的な強度分布を測定できるものが用いられる。例えば、市販されているCCD(Charge Coupled Device)カメラを用いて、直接、出射光を測定する。
また、レーザ光などのパワー密度の高い光や、紫外光などCCD素子を劣化させるような光の強度分布を計測する場合には、蛍光板などに光を照射して、そこで発生する蛍光を、蛍光板の後方に配置したカメラで観測してもよい。このような方法では、出射光面内の強度を同時刻に測定できるため、非常に短時間で計測が可能であるという利点をもつ。
【0063】
また、出射光の干渉縞を測定する他の方法としては、フォトマルチプライヤやフォトダイオードにピンホールが設けられた遮蔽板を取り付けて、干渉縞が生じている領域を移動させて光強度分布を測定してもよい。この方法は、ピンホールの大きさが光の強度分布の測定分解能を決定するので、小さいピンホールを用いれば、高い空間分解能が得られるという利点を有する。
【0064】
ところで、第一の透過型回折格子11は、使用波長における0次光ができるだけ小さい方が望ましい。これは第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12を通過した出射光には、出射光の干渉縞の測定において不要な光が入ってしまうからである。出射光の干渉縞の測定誤差を5%以下にするためには、第一の透過型回折格子11の0次光の回折効率は5%以下であることが好ましい。さらに、第一の透過型回折格子11の0次光の回折効率が3%以下であれば、測定誤差を無視できる。
【0065】
また、上記式(8)で示したように、第一の透過型回折格子11および第二の透過型回折格子12の周期により、干渉縞の周期pが決定される。
ここで、入射光の波長λを0.248μm、第一の透過型回折格子11の周期Λ1を1.070μmとしたときに、干渉縞の周期pと、第二の透過型回折格子12の周期Λ2との関係を図7に示す。
【0066】
図7から、第二の透過型回折格子12の周期Λ2が第一の透過型回折格子11の周期Λ1に近くなると、干渉縞の周期pが長くなることが分かる。一方、第二の透過型回折格子12の周期Λ2が第一の透過型回折格子11の周期Λ1から離れると、干渉縞の周期pは短くなることが分かる。
【0067】
また、干渉縞の周期pが長くなり、入射光の幅を超えると、完全な干渉縞の1周期が測定できなくなるので、干渉縞のコントラストの測定ができなくなる。したがって、干渉縞の周期pは入射光の幅以下であることが望ましく、入射光の大きさは、大きいものでエキシマレーザで10mm程度であるので、10mm以下であることが好ましい。
一方、干渉縞の周期pが短くなり、上述のような光の強度分布を測定する装置の分解能よりも小さくなると、正確な干渉縞のコントラストの測定ができなくなる。市販されているCCDカメラなどの分解能を考慮すると、干渉縞の周期pは、これらの光の強度分布を測定する装置の分解能以上であことが望ましく、0.1mm以上であることが好ましい。
【0068】
ところで、上記式(8)に示したように、干渉縞の周期pは測定する入射光の波長λの関数で表される。したがって、測定する入射光の波長λと幅の大きさに応じて、第二の透過型回折格子12から出射される出射光の干渉縞の周期が0.1〜10mmという条件を満たすように、周期Λ1、周期Λ2を設定する必要がある。
【0069】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
この例の光干渉測定装置は、エキシマレーザのコヒーレンスを測定するための装置である。
図8は、この例の光干渉測定装置を示す概略構成図である。
エキシマレーザは、発振波長248nmのKrFエキシマレーザを用いた。このKrFエキシマレーザから出射され、光干渉測定装置に入射したレーザ光50の径は5mm×10mmであった。
対向して配置された第一の透過型回折格子41、第二の透過型回折格子42としては、石英ガラスからなる基板41a、42aのそれぞれに、波長248nmにおける0次光の回折効率が極小になるよに設定された深さの溝41b、42bを形成してなる外径25mmの円形のものを用いた。
また、第一の透過型回折格子41の周期を1070nm、第二の透過型回折格子42の周期を1071nmとした。
第一の透過型回折格子41の0次光の回折効率を1.5%、第二の透過型回折格子42の0次光の回折効率を2.3%とした。
溝41b、42bが図8のy軸方向に平行になるように、第一の透過型回折格子41、第二の透過型回折格子42を配置した。
第一の透過型回折格子41と第二の透過型回折格子42の回折格子面の間隔を300μmとした。
【0070】
第二の透過型回折格子42から出射する出射光51の干渉縞の観測は、レーザ光50の強度が強いため、第二の透過型回折格子42に対向するように蛍光板44を配置し、この蛍光板44の後方(第二の透過型回折格子42と対向している面と反対側の面側)にCCDカメラ45を配置して行った。
第二の透過型回折格子42と蛍光板44の間隔を100mmとした。
CCDカメラ45で測定された出射光51の強度分布の信号は、コンピュータ46に入力され、計算により干渉縞のコントラストを求めた。
【0071】
観測された干渉縞の周期は0.58mmであり、計算により求められた干渉縞の周期0.56mmとほぼ同じ値が得られた。また、このときの干渉縞のコントラスト(コヒーレンス)は0.7であった。
また、このとき測定されたレーザ光全面におけるコヒーレンスの分布の測定結果を図9に示す。図9では、コヒーレンスの値が同じ領域を線で結んで、等高線で表されている。図9から、中心領域では、コヒーレンスが高く、周辺部分にいくにしたがって、コヒーレンスが低下していることが分かった。
【0072】
(実施例2)
実施例1と同じ光干渉測定装置を用いて、空間コヒーレンス長の測定を行った。
この実施例では、第一の透過型回折格子41が設けられている自動移動ステージ47をコンピュータ46により制御して、第一の透過型回折格子41を図8のz軸方向に移動させ、第一の透過型回折格子41と第二の透過型回折格子42の回折格子面の間隔を変えながら、コヒーレンスの測定を行った。
第一の透過型回折格子41と第二の透過型回折格子42の回折格子面の間隔を50μmから4mmまで動かした。このとき、コヒーレンスを測定している距離は、上記式(9)を用いて計算すると、24μmから1.9mmに相当する。
【0073】
自動移動ステージ47を移動させ、コヒーレンスを測定するというステップを順次繰り返し、レーザ光50の中心におけるコヒーレンスの変化を測定した。測定結果を図10に示す。
図10において、横軸は、コヒーレンスを測定している間隔に相当するレーザ光50の横ずれ量であり、縦軸はコヒーレンスである。レーザ光50の横ずれ量が大きくなると、コヒーレンスは低下することが確認できた。コヒーレンス長をコヒーレンスが0.5になるレーザ光50の横ずれ量と定義すると、コヒーレンス長は0.6mmとなった。
【0074】
上述の実施例1、2では、第一の透過型回折格子41、第二の透過型回折格子42の溝41b、42bの方向は、y軸方向と平行になるように配置したが、本発明はこれに限定されるものではなく、回折格子の溝を任意の方向に配置してもよい。
また、回折格子に適当な回転機構を附設し、回折格子の溝方向を変更できるようにして、任意の方向のコヒーレンスを測定できるようにしてもよい。
【0075】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光干渉測定装置は、構成部品の点数が少ないので、安価に製造することができ、周囲の振動の影響を受け難いため、安定して光のコヒーレンスを測定することができる。加えて、2つの透過型回折格子を高精度に対向配置することができるから、干渉縞の周期やコントラストを安定にして、コヒーレンスを測定することができる。
また、対向配置された2つの透過型回折格子の回折格子面の間隔を変えることにより、被測定光内の任意の距離のコヒーレンスを測定することができる。加えて、被測定光のほぼ全面で干渉縞を形成できるので、被測定光の任意の面内におけるコヒーレンスの分布を測定できる。
さらに、被測定光の約35%の光が干渉縞の形成に関与するために、高い光強度の干渉縞を観測でき、長い時間平均化を行うなどの処理が不要で、リアルタイムの計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光干渉測定装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
【図2】透過型回折格子に入射した光の回折光の様子を示す模式図である。
【図3】第一の透過型回折格子に入射した光の回折光の様子およびを第二の透過型回折格子に入射した光の回折光の様子示す模式図である。
【図4】2つの回折光が重なり合って一つの回折光となる様子を示す模式図である。
【図5】2つのコヒーレントな光がある角度をもって重なり合うと、光が重なり合った領域では光の干渉縞が観測される様子を示す模式図である。
【図6】第二の透過型回折格子から出射した出射光と高次光とが重ならなくなる位置までの距離を示す模式図である。
【図7】干渉縞の周期と、第二の透過型回折格子の周期との関係を示すグラフである。
【図8】実施例1における光干渉測定装置を示す概略構成図である。
【図9】実施例1において、レーザ光全面におけるコヒーレンスの分布の測定結果を示す模式図である。
【図10】実施例2において、レーザ光の中心におけるコヒーレンスの変化を測定した結果を示す模式図である。
【図11】2重ピンホールにより光のコヒーレンスを測定する方法の原理を説明する図である。
【図12】光のコヒーレンスの変化を模式的に示す図である。
【図13】マイケルソン型干渉計の構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
11・・・第一の透過型回折格子、11a・・・透明基板、11b・・・溝、12・・・第二の透過型回折格子、12a・・・透明基板、12b・・・溝、13・・・空間強度分布測定装置、20・・・入射光、21・・・回折光、50・・・レーザ光。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光計測、光加工などの幅広い範囲で用いられるレーザ光の品質を評価するための光干渉測定装置およびこれを用いた光干渉測定方法に関するものであり、特に、レーザ光の可干渉性を測定する光干渉測定装置およびこれを用いた光干渉測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ光は、高いエネルギー密度、高い指向性、高い可干渉性を有するため、産業の様々な分野で用いられている。特に、可干渉性はレーザ光の性質の中で重要なものであり、この可干渉性を利用した計測や、レーザ加工が行われている。
【0003】
レーザ光の可干渉性を利用した加工により作製されているものとしては、例えば、光通信の分野で用いられる光ファイバグレーティングが挙げられる。光ファイバグレーティングは、ゲルマニウム添加石英は紫外線照射により屈折率が上昇するという現象を利用して、紫外線レーザ光の干渉によりできた干渉縞を光ファイバの側面から照射することで、光ファイバのコアの屈折率を周期的に変化させた光素子である。
【0004】
このとき、光ファイバへの照射に用いる紫外線レーザ光の可干渉性(以下、「コヒーレンス」とも言う。)が、グレーティングの特性に大きな影響を及ぼす。コヒーレンスとは、光がどれだけ干渉しやすいかを示す指標であり、コヒーレンスが高いほど、よりコントラストの高い干渉縞を形成できる。良好な特性の光ファイバグレーティングを作製するには、高いコヒーレンスを持つレーザ光が必要となる。
【0005】
また、光のコヒーレンスが重要となる別の例としては、半導体集積回路などに用いられるマスクパターン露光装置がある。集積回路の作製においては、所望の回路パターンを有するマスクを準備し、レジストを塗布した半導体基板上に、このマスクパターンの露光を行う。
一般的に、このようなマスクパターンの露光では、マスクパターンの大きさは露光を行う光の波長よりも小さくなっている。そのため、露光を行う光の干渉性が高いと、干渉の影響により所望の回路パターンを半導体基板上に形成できない。また、コヒーレンスが高いと、スペックルと呼ばれる空間的にランダムな光の強度分布が生じ易く、良好なパターンを半導体基板上に形成できない。したがって、マスクパターンの露光では、光のコヒーレンスができるだけ低い方が望ましく、コヒーレンスを低下させる方法が必要になる。
【0006】
以上述べたように、光のコヒーレンスは、レーザ光を利用する際に考慮すべき重要な特性である。このため、光のコヒーレンスを定量的に評価する方法が必要である。
【0007】
光のコヒーレンスには、空間コヒーレンスと時間コヒーレンスの2種類がある。
空間コヒーレンスは、光が伝搬する方向と直交する面内において、空間的に離れた2点における光の場の干渉性を表すものである。一般的に、この2点間の距離が近い程コヒーレンスは高く、2点間の距離が離れる程コヒーレンスは低下する。
時間コヒーレンスは、ある1つの観測点において異なる時刻における光の位相に、どれだけ相関関係があるかを表すものである。
【0008】
従来、光のコヒーレンスを測定するために、例えば、2重ピンホールによる方法や、マイケルソン型干渉計を用いる方法が用いられている。
(1)2重ピンホールによる方法
光のコヒーレンスを測定する単純な方法は、測定したい2つの点にピンホールを配置し、ピンホールの後方(光の進行方向)にできる光の強度分布を観測する方法である。これは、ヤングの干渉実験として知られている。
【0009】
図11を用いて、この測定方法の原理を説明する。
まず、光の干渉縞を観測するための観測面101から十分に離れた位置に、2つのピンホール102a、102aが空けられた遮蔽板102を、このピンホール102a、102aの設けられた面が観測面101と平行になるように配置する。
【0010】
次に、ピンホール102a、102aから光110を入射すると、ピンホール102a、102aを通過した光は回折して、いろいろな方向に広がりを持つ回折光111となる。このとき、観測面101では、2つのピンホール102a、102aからの回折光111が重なり合って観測される。光110のコヒーレンスが高いと、図11に示すように、周期的な光強度の変動(干渉縞)が観測される。
【0011】
観測面110で観測される干渉縞のコントラストと、2つのピンホール102a、102aの位置における光のコヒーレンスには関係がある。
ここで、コントラストとは、干渉縞の周期的なうねりの極大値をPmax、極小値をPminとしたときに、下記式(1)で表される量のことである。
【0012】
【数1】
【0013】
光110が完全にコヒーレントな場合(Pmin=0)、干渉縞のコントラストは1になる。一方、完全にインコヒーレントな(干渉性がない)場合(Pmax=Pmin)、干渉縞のコントラストは0になる。このように、干渉縞のコントラストから、光のコヒーレンスを定量的に評価することができる。
【0014】
光のコヒーレンスは、観測する2点間の距離の関数である。すなわち、図11に示した例の場合、2つのピンホール102a、102a間の距離を変えると、測定される光のコヒーレンスは変化する。2点間の距離が大きいほど、光のコヒーレンスは低下する。図12に、このような光のコヒーレンスの変化を模式的に示す。光のコヒーレンスの高い領域と低い領域の境界となる値を適当に設定すると(図12では、光のコヒーレンス=0.5を境界とする。)、光がコヒーレント状態となる2点間の距離を求めることができる。一般的に、このような2点間の距離は空間コヒーレンス長と呼ばれている(例えば、特許文献1参照。)。
【0015】
(2)マイケルソン型干渉計を用いる方法
図13は、マイケルソン型干渉計の構造を模式的に示す図である。
このマイケルソン型干渉計において、入射光121は、半透鏡131に入射すると、基準プリズムミラー132に向かう光122aと、可動プリズムミラー133に向かう光123aに分割される。それぞれのミラーで反射された光122b、123bは半透鏡131に戻り、これらの光が半透鏡131で再び重ね合わせられて出射光124になる。
【0016】
基準プリズムミラー132、可動プリズムミラー133の設置角度を調整して、2つの光122b、123bが重ね合わせられるときに、完全に進む方向が同じではなく、ある角度をもって進むようにすると、出射光124の観測面では干渉縞を観測することができる。
基準プリズムミラー132で反射された光122bと、可動プリズムミラー133で反射された光123bが再び重ね合わせられるまでの長さが完全に同じ場合には、2つの光122b、123bは全く同じ位相にあるので、完全な干渉縞(コントラストが1)が得られる。
【0017】
ここで、可動プリズムミラー133を図13中のx軸方向に移動すると、可動プリズムミラー133側の光路長が変化して、2つの光122b、123bは異なる時間に観測面に到達する。このとき、干渉縞のコントラストは、時間コヒーレンスに応じて変化する。このように、可動プリズムミラー133のx軸方向への移動距離と、干渉縞のコントラストの変化を観測することにより、時間コヒーレンス長を測定できる。
【0018】
一方、2つの光122a(122b)、123a(123b)の光路長を同一に設定しておき、可動プリズムミラー133を図13中y軸方向に移動すると、分割された2つの光122a、123aは可動プリズムミラー133が移動した距離だけずれた状態で重ね合わせられる。このとき、干渉縞は、その面内の空間コヒーレンスに対応して変化する。可動プリズムミラー133のy軸方向への移動距離と、干渉縞のコントラストの変化を観測することにより、空間コヒーレンス長を測定できる(例えば、特許文献2参照。)。
【0019】
【特許文献1】
特開平7−311094号公報
【特許文献2】
特公平6−63868号公報
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような光のコヒーレンスを測定する方法では、以下のような問題がある。
2重ピンホールによる方法では、2つの近接したピンホールが設けられた遮蔽板を用いるが、通常、測定したい光(以下、「被測定光」と称する。)のコヒーレンス長は1mm前後であるため、ピンホールの加工には高い精度が要求される。したがって、このようなピンホールを有する遮蔽板は高価なものとなる。
【0021】
また、遮蔽板に設けられたピンホールの距離は可変ではないため、特定の光のコヒーレンス長しか測定できない。
レーザ光の空間コヒーレンスを測定するためには、2つのピンホール間の距離を変えた遮蔽板を数個用意して、これらの遮蔽板を交換して多数回コヒーレンスを測定しなければならない。そのため、測定が非常に煩雑になり、時間がかかるという問題がある。
【0022】
また、この方法では、コヒーレンスの測定は、レーザ光のあるポイントに限られる。レーザ光の進行方向に垂直な面内におけるコヒーレンスの分布の計測をするためには、レーザ光内において、ピンホールを配置する位置を変え、多数回測定する必要がある。
また、ピンホールは非常に小さいために、ここを通過する光のパワーも小さい。したがって、観測できる干渉縞の強度も弱くなり、測定誤差が大きくなる原因となる。正確な測定を行おうとすると、測定時間は長くなるという問題がある。
【0023】
マイケルソン型干渉計を用いる方法では、マイケルソン型干渉計を構成する部品数が多く、この装置の価格は非常に高くなる。また、マイケルソン型干渉計を構成する際には、μm単位での部品設置精度が要求されるため、この装置を組み立てるのが非常に難しい。さらに、一旦、この装置を組み立てた後でも、衝撃などにより狂いが生じ易いといった問題がある。そして、測定の際には、測定する環境の振動により、干渉縞の強度分布が容易に変わるという問題がある。このため、正確な測定を行うためには、周囲の振動を抑えるといった工夫が必要になる。また、装置全体も大型化するため、容易に測定したいレーザ光の場所へ移動するのが困難である。
【0024】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、構成が容易で、光の可干渉性を安定に測定する光干渉測定装置およびこれを用いた光干渉測定方法を提供することを目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、対向して配置された第一の透過型回折格子および第二の透過型回折格子と、該第一の透過型回折格子に入射し、該第二の透過型回折格子から出射した被測定光の空間強度分布を測定する装置とからなる光干渉測定装置において、前記第一の透過型回折格子および前記第二の透過型回折格子は、それぞれの基板に形成された溝の長手方向が平行になるように配置され、かつ、前記光の空間強度分布を測定する装置は、前記第二の透過型回折格子から被測定光が出射する位置に配置された光干渉測定装置を提供する。
【0026】
上記構成の光干渉測定装置において、前記第一の透過型回折格子および前記第二の透過型回折格子は石英ガラスからなることが好ましい。
【0027】
上記構成の光干渉測定装置において、前記第二の透過型回折格子から出射した被測定光に生じる干渉縞の周期は0.1mm以上、10mm以下であることが好ましい。
【0028】
上記構成の光干渉測定装置において、前記第一の透過型回折格子の0次の回折強度が、被測定光の波長において入射強度の5%以下であることが好ましい。
【0029】
上記構成の光干渉測定装置において、前記第一の透過型回折格子または前記第二の透過型回折格子の少なくとも一方は、被測定光の伝搬方向に可動であることが好ましい。
【0030】
上記構成の光干渉測定装置において、前記被測定光の空間強度分布を測定する装置は、CCDカメラであることが好ましい。
【0031】
また、本発明は、上記の光干渉測定装置を用いて、前記第二の透過型回折格子から出射した被測定光に生じる干渉縞のコントラストを測定し、該コントラストから被測定光の可干渉性を測定する光干渉測定方法を提供する。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図1は、本発明の光干渉測定装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
この実施形態の光干渉測定装置は、対向して配置された第一の透過型回折格子11および第二の透過型回折格子12と、第二の透過型回折格子12に対向して配置された空間強度分布測定装置13とから概略構成されている。
【0033】
(透過型回折格子の機能)
まず、この実施形態で用いられる第一の透過型回折格子11、第二の透過型回折格子12の機能について説明する。
第一の透過型回折格子11は、透明基板11a上に、周期的に凹凸の溝11bを形成してなるものであり、第二の透過型回折格子12は、透明基板12a上に、周期的に凹凸の溝12bを形成してなるものである。図1では、溝11b、12bの断面形状は矩形状であるが、本発明の光干渉測定装置はこれに限定されない。溝11b、12bの断面形状は周期的に形成されていれば、正弦波状のものや、三角波状のものでもよい。
【0034】
第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12は、溝11b、12bが形成されている面を対向するように配置されることが望ましい。
溝11b、12bが対向されていない場合、入射光20は、第一の透過型回折格子11の格子面(溝11bが形成されている面)から、第二の透過型回折格子12の格子面(溝12bが形成されている面)に到達するまでに、透明基板11a、12aを通過することになる。したがって、透明基板11a、12aの厚さ以下に、第一の透過型回折格子11の格子面と第二の透過型回折格子12の格子面との間隔を設定することができない。通常、透明基板11a、12aの厚さは1mm以上であるが、測定する入射光20のコヒーレンス長は1mm以下の場合もあるため、この場合、コヒーレンスの測定はできない。そこで、溝11b、12bを対向配置すれば、測定できるコヒーレンス長をほぼ0まで小さくすることが可能となり、広い測定範囲を実現できる。
【0035】
透明基板11a、12aを構成する材料としては、被測定光を透過する波長において透過率が十分に高いものが用いられる。例えば、被測定光が可視光の場合、通常のBK7といった光学ガラスを用いることができる。また、被測定光が紫外光の場合、紫外線の透過率が高い石英ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムなどが用いられるが、これらの中でも、比較的安価に入手することができ、回折格子の形成も容易であるという観点から、石英ガラスが好ましく用いられる。
【0036】
このような第一の透過型回折格子11または第二の透過型回折格子12に、光を入射すると、光の回折現象により、伝搬方向を複数有する回折光が出射される。図2は、透過型回折格子に入射した光の回折光の様子を示す模式図である。
図2に示すように、入射光20と同じ方向に出射する回折光21を0次光と称し、0次光に対する出射方向のなす角度θの小さい順に、+(−)1次光、+(−)2次光と称する。また、0次光に対する出射角度を回折角θと称する。+1次光と−1次光は同じ回折角θを有する。図2の例では、2次光までしか描かれていないが、入射光20の波長、第一の透過型回折格子11または第二の透過型回折格子12の格子(溝)の周期により、さらに高次の回折光21が発生する場合もある。
【0037】
回折角θは、溝11b(12b)の凹凸の周期Λと、入射光20の波長λにより決定される。n次の回折光21の回折角θをθnとすると、下記式(2)の関係が成り立つ。
【0038】
【数2】
【0039】
回折光21の相対的な光強度は、溝11b(12b)の深さで決定される。溝11b(12b)の凹凸により、回折光21の位相が変化を受けるが、溝のある部分とない部分で受ける回折光21の位相差Φが下記式(3)を満たすとき、0次光の方向に進む回折光21の位相差が、凹部と凸部で逆相になり打消し合う。したがって、0次光の強度は0になる。下記式(3)において、mは0以上の整数である。
【0040】
【数3】
【0041】
(本発明の原理)
次に、このような第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12を対向配置させて、これらの透過型回折格子に光を入射した場合について説明する。
第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12を対向配置させる際には、それぞれの基板11a、12aに形成されている溝11b、12bが対向するように、かつ、溝11bと溝12bの長手方向が平行となるように配置させる。
【0042】
ここで、第一の透過型回折格子11の周期をΛ1、第二の透過型回折格子12の周期をΛ2とする。また、それぞれの溝11b、12bの深さを、入射光20の0次光の強度が0になるように調整する。
入射光20が第一の透過型回折格子11に入射したときに、第一の透過型回折格子11から出射する光は、主に+1次光と−1次光の回折光であり、回折角θ1は下記式(4)のように表される。
【0043】
【数4】
【0044】
上記式(4)の符号は、それぞれ+1次と−1次の回折光に対応する。
次に、第一の透過型回折格子11から出射した回折光が第二の透過型回折格子12に入射する。このとき、第二の透過型回折格子12から出射する回折光の角度θ2は下記式(5)で表される。
【0045】
【数5】
【0046】
第一の透過型回折格子11の周期Λ1と、第二の透過型回折格子12の周期Λ2との周期が近い場合、図3(a)に示すように、第一の透過型回折格子11の−1次光を入射光とする第二の透過型回折格子12の+1次光22と、図3(b)に示すように、第一の透過型回折格子11の+1次光を入射光とする第二の透過型回折格子12の−1次光23とは、それぞれ入射光20の進行方向と近い回折角度になる。
この結果、図4に示すように、これらの2つの出射光(+1次光22、−1次光23)は互いに重なり合って、出射光24として出射される。また、+1次光22、−1次光23は、第一の透過型回折格子11におる回折により第二の透過型回折格子12における入射位置が異なるため、x軸方向にずれた形で重なり合う。
【0047】
+1次光22、−1次光23が、入射光20の進行方向(回折の0次光)となす角度θ2´は、上記式(4)、(5)を用いて、下記式(6)で表される。
【0048】
【数6】
【0049】
周期Λ1と周期Λ2が同じ場合、角度θ2´は0となり、+1次光22と−1次光23は全く同じ方向に進む。+1次光22と−1次光23が全く同じ方向に進む場合、干渉縞は観測されない。
一方、周期Λ1と周期Λ2が異なる場合には、+1次光22と−1次光23との進行方向は同一ではなく、両者の進行方向は角度をなし、角度θ2´は0でなくなるため、周期的な干渉縞を観測することができる。
【0050】
図5に示すように、2つのコヒーレントな光25、26がある角度Φをもって重なり合うと、光25、26が重なり合った領域では光の干渉縞を観測することができる。ここで、干渉縞27の周期pは、下記式(7)で表される。
【0051】
【数7】
【0052】
したがって、第一の透過型回折格子11を透過し、第二の透過型回折格子12から出射した回折光の干渉により観測される干渉縞の周期pは、上記式(6)、(7)を用いて、下記式(8)で表される。下記式(8)において、干渉縞の周期は、周期Λ1と周期Λ2を適当に選択することにより、任意の値に設定することができる。
【0053】
【数8】
【0054】
前述の通り、図4に示したような+1次光22と−1次光23は、x軸方向にずれて重ね合わせられて干渉しているため、干渉縞のコントラストを測定することにより、x軸方向におけるコヒーレンスの状態が分かる。
また、図4に示したx軸方向でのビームの変位量Δxは、第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12との間隔を変えることにより、容易に変えることができる。すなわち、第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12との間隔をdとすると、第一の透過型回折格子11で回折した光が第二の透過型回折格子12に到達したときは、x軸方向に対して、Δxの距離だけずれている。このΔxは、下記式(9)で表される。
【0055】
【数9】
【0056】
上記式(9)から、その距離Δxだけ離れた位置において、コヒーレンスの測定が可能である。すなわち、第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12との間隔dを変えながら、干渉縞のコントラストを測定すれば、レーザビームの進行方向に垂直な面内において、注目する2点の距離を変えたときのコヒーレンスの様子が分かり、コヒーレンス長を測定できる。
【0057】
(干渉縞の測定)
干渉縞は出射した光のどの面でも生じているため、回折格子から光強度分布測定装置までの距離は精密に調整する必要はない。ただし、図1に示したように、高次の回折光も出射されているため、注意が必要である。回折格子に近い領域では、出力光と高次回折光が重なるため、その領域に強度分布測定器を置くと誤差が生じる。
最初の高次回折光と出力光のなす角度ψは、下記式(10)で表される。
【0058】
【数10】
【0059】
このとき、図6に示すように、測定される入射光30の幅をwとし、第二の透過型回折格子12から出射した出射光31と高次光32とが重ならなくなる位置までの第二の透過型回折格子12からの距離Lは、下記式(11)で表される。
【0060】
【数11】
【0061】
上記式(10)と(11)から、距離Lを求めることができる。
例えば、光の波長を0.248μm、ビーム径を1mm、第一の透過型回折格子11の周期Λ1を1.070μm、第二の透過型回折格子12の周期Λ2を1.071μmとすると、距離Lは1.98mmとなる。この計算結果から、第二の透過型回折格子12から1.98mm以上離れれば、高次光32の影響を受けずに、出射光31の干渉縞の測定をすることができる。
【0062】
出射光の干渉縞の測定には、光の空間的な強度分布を測定できるものが用いられる。例えば、市販されているCCD(Charge Coupled Device)カメラを用いて、直接、出射光を測定する。
また、レーザ光などのパワー密度の高い光や、紫外光などCCD素子を劣化させるような光の強度分布を計測する場合には、蛍光板などに光を照射して、そこで発生する蛍光を、蛍光板の後方に配置したカメラで観測してもよい。このような方法では、出射光面内の強度を同時刻に測定できるため、非常に短時間で計測が可能であるという利点をもつ。
【0063】
また、出射光の干渉縞を測定する他の方法としては、フォトマルチプライヤやフォトダイオードにピンホールが設けられた遮蔽板を取り付けて、干渉縞が生じている領域を移動させて光強度分布を測定してもよい。この方法は、ピンホールの大きさが光の強度分布の測定分解能を決定するので、小さいピンホールを用いれば、高い空間分解能が得られるという利点を有する。
【0064】
ところで、第一の透過型回折格子11は、使用波長における0次光ができるだけ小さい方が望ましい。これは第一の透過型回折格子11と第二の透過型回折格子12を通過した出射光には、出射光の干渉縞の測定において不要な光が入ってしまうからである。出射光の干渉縞の測定誤差を5%以下にするためには、第一の透過型回折格子11の0次光の回折効率は5%以下であることが好ましい。さらに、第一の透過型回折格子11の0次光の回折効率が3%以下であれば、測定誤差を無視できる。
【0065】
また、上記式(8)で示したように、第一の透過型回折格子11および第二の透過型回折格子12の周期により、干渉縞の周期pが決定される。
ここで、入射光の波長λを0.248μm、第一の透過型回折格子11の周期Λ1を1.070μmとしたときに、干渉縞の周期pと、第二の透過型回折格子12の周期Λ2との関係を図7に示す。
【0066】
図7から、第二の透過型回折格子12の周期Λ2が第一の透過型回折格子11の周期Λ1に近くなると、干渉縞の周期pが長くなることが分かる。一方、第二の透過型回折格子12の周期Λ2が第一の透過型回折格子11の周期Λ1から離れると、干渉縞の周期pは短くなることが分かる。
【0067】
また、干渉縞の周期pが長くなり、入射光の幅を超えると、完全な干渉縞の1周期が測定できなくなるので、干渉縞のコントラストの測定ができなくなる。したがって、干渉縞の周期pは入射光の幅以下であることが望ましく、入射光の大きさは、大きいものでエキシマレーザで10mm程度であるので、10mm以下であることが好ましい。
一方、干渉縞の周期pが短くなり、上述のような光の強度分布を測定する装置の分解能よりも小さくなると、正確な干渉縞のコントラストの測定ができなくなる。市販されているCCDカメラなどの分解能を考慮すると、干渉縞の周期pは、これらの光の強度分布を測定する装置の分解能以上であことが望ましく、0.1mm以上であることが好ましい。
【0068】
ところで、上記式(8)に示したように、干渉縞の周期pは測定する入射光の波長λの関数で表される。したがって、測定する入射光の波長λと幅の大きさに応じて、第二の透過型回折格子12から出射される出射光の干渉縞の周期が0.1〜10mmという条件を満たすように、周期Λ1、周期Λ2を設定する必要がある。
【0069】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
この例の光干渉測定装置は、エキシマレーザのコヒーレンスを測定するための装置である。
図8は、この例の光干渉測定装置を示す概略構成図である。
エキシマレーザは、発振波長248nmのKrFエキシマレーザを用いた。このKrFエキシマレーザから出射され、光干渉測定装置に入射したレーザ光50の径は5mm×10mmであった。
対向して配置された第一の透過型回折格子41、第二の透過型回折格子42としては、石英ガラスからなる基板41a、42aのそれぞれに、波長248nmにおける0次光の回折効率が極小になるよに設定された深さの溝41b、42bを形成してなる外径25mmの円形のものを用いた。
また、第一の透過型回折格子41の周期を1070nm、第二の透過型回折格子42の周期を1071nmとした。
第一の透過型回折格子41の0次光の回折効率を1.5%、第二の透過型回折格子42の0次光の回折効率を2.3%とした。
溝41b、42bが図8のy軸方向に平行になるように、第一の透過型回折格子41、第二の透過型回折格子42を配置した。
第一の透過型回折格子41と第二の透過型回折格子42の回折格子面の間隔を300μmとした。
【0070】
第二の透過型回折格子42から出射する出射光51の干渉縞の観測は、レーザ光50の強度が強いため、第二の透過型回折格子42に対向するように蛍光板44を配置し、この蛍光板44の後方(第二の透過型回折格子42と対向している面と反対側の面側)にCCDカメラ45を配置して行った。
第二の透過型回折格子42と蛍光板44の間隔を100mmとした。
CCDカメラ45で測定された出射光51の強度分布の信号は、コンピュータ46に入力され、計算により干渉縞のコントラストを求めた。
【0071】
観測された干渉縞の周期は0.58mmであり、計算により求められた干渉縞の周期0.56mmとほぼ同じ値が得られた。また、このときの干渉縞のコントラスト(コヒーレンス)は0.7であった。
また、このとき測定されたレーザ光全面におけるコヒーレンスの分布の測定結果を図9に示す。図9では、コヒーレンスの値が同じ領域を線で結んで、等高線で表されている。図9から、中心領域では、コヒーレンスが高く、周辺部分にいくにしたがって、コヒーレンスが低下していることが分かった。
【0072】
(実施例2)
実施例1と同じ光干渉測定装置を用いて、空間コヒーレンス長の測定を行った。
この実施例では、第一の透過型回折格子41が設けられている自動移動ステージ47をコンピュータ46により制御して、第一の透過型回折格子41を図8のz軸方向に移動させ、第一の透過型回折格子41と第二の透過型回折格子42の回折格子面の間隔を変えながら、コヒーレンスの測定を行った。
第一の透過型回折格子41と第二の透過型回折格子42の回折格子面の間隔を50μmから4mmまで動かした。このとき、コヒーレンスを測定している距離は、上記式(9)を用いて計算すると、24μmから1.9mmに相当する。
【0073】
自動移動ステージ47を移動させ、コヒーレンスを測定するというステップを順次繰り返し、レーザ光50の中心におけるコヒーレンスの変化を測定した。測定結果を図10に示す。
図10において、横軸は、コヒーレンスを測定している間隔に相当するレーザ光50の横ずれ量であり、縦軸はコヒーレンスである。レーザ光50の横ずれ量が大きくなると、コヒーレンスは低下することが確認できた。コヒーレンス長をコヒーレンスが0.5になるレーザ光50の横ずれ量と定義すると、コヒーレンス長は0.6mmとなった。
【0074】
上述の実施例1、2では、第一の透過型回折格子41、第二の透過型回折格子42の溝41b、42bの方向は、y軸方向と平行になるように配置したが、本発明はこれに限定されるものではなく、回折格子の溝を任意の方向に配置してもよい。
また、回折格子に適当な回転機構を附設し、回折格子の溝方向を変更できるようにして、任意の方向のコヒーレンスを測定できるようにしてもよい。
【0075】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光干渉測定装置は、構成部品の点数が少ないので、安価に製造することができ、周囲の振動の影響を受け難いため、安定して光のコヒーレンスを測定することができる。加えて、2つの透過型回折格子を高精度に対向配置することができるから、干渉縞の周期やコントラストを安定にして、コヒーレンスを測定することができる。
また、対向配置された2つの透過型回折格子の回折格子面の間隔を変えることにより、被測定光内の任意の距離のコヒーレンスを測定することができる。加えて、被測定光のほぼ全面で干渉縞を形成できるので、被測定光の任意の面内におけるコヒーレンスの分布を測定できる。
さらに、被測定光の約35%の光が干渉縞の形成に関与するために、高い光強度の干渉縞を観測でき、長い時間平均化を行うなどの処理が不要で、リアルタイムの計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光干渉測定装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
【図2】透過型回折格子に入射した光の回折光の様子を示す模式図である。
【図3】第一の透過型回折格子に入射した光の回折光の様子およびを第二の透過型回折格子に入射した光の回折光の様子示す模式図である。
【図4】2つの回折光が重なり合って一つの回折光となる様子を示す模式図である。
【図5】2つのコヒーレントな光がある角度をもって重なり合うと、光が重なり合った領域では光の干渉縞が観測される様子を示す模式図である。
【図6】第二の透過型回折格子から出射した出射光と高次光とが重ならなくなる位置までの距離を示す模式図である。
【図7】干渉縞の周期と、第二の透過型回折格子の周期との関係を示すグラフである。
【図8】実施例1における光干渉測定装置を示す概略構成図である。
【図9】実施例1において、レーザ光全面におけるコヒーレンスの分布の測定結果を示す模式図である。
【図10】実施例2において、レーザ光の中心におけるコヒーレンスの変化を測定した結果を示す模式図である。
【図11】2重ピンホールにより光のコヒーレンスを測定する方法の原理を説明する図である。
【図12】光のコヒーレンスの変化を模式的に示す図である。
【図13】マイケルソン型干渉計の構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
11・・・第一の透過型回折格子、11a・・・透明基板、11b・・・溝、12・・・第二の透過型回折格子、12a・・・透明基板、12b・・・溝、13・・・空間強度分布測定装置、20・・・入射光、21・・・回折光、50・・・レーザ光。
Claims (7)
- 対向して配置された第一の透過型回折格子および第二の透過型回折格子と、該第一の透過型回折格子に入射し、該第二の透過型回折格子から出射した被測定光の空間強度分布を測定する装置とからなる光干渉測定装置において、
前記第一の透過型回折格子および前記第二の透過型回折格子は、それぞれの基板に形成された溝の長手方向が平行になるように配置され、かつ、前記光の空間強度分布を測定する装置は、前記第二の透過型回折格子から被測定光が出射する位置に配置されたことを特徴とする光干渉測定装置。 - 前記第一の透過型回折格子および前記第二の透過型回折格子は石英ガラスからなることを特徴とする請求項1記載の光干渉測定装置。
- 前記第二の透過型回折格子から出射した被測定光に生じる干渉縞の周期は0.1mm以上、10mm以下であることを特徴とする請求項1または2記載の光干渉測定装置。
- 前記第一の透過型回折格子の0次の回折強度が、被測定光の波長において入射強度の5%以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の光干渉測定装置。
- 前記第一の透過型回折格子または前記第二の透過型回折格子の少なくとも一方は、被測定光の伝搬方向に可動であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の光干渉測定装置。
- 前記被測定光の空間強度分布を測定する装置は、CCDカメラであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の光干渉測定装置。
- 請求項1ないし6のいずれかに記載の光干渉測定装置を用いて、前記第二の透過型回折格子から出射した被測定光に生じる干渉縞のコントラストを測定し、該コントラストから被測定光の可干渉性を測定することを特徴とする光干渉測定方法。
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2003
- 2003-04-23 JP JP2003118350A patent/JP2004325176A/ja not_active Withdrawn
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