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】
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】
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】
（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】
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】
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】
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】
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】
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】
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】
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】
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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| JP2003118350A JP2004325176A (ja) | 2003-04-23 | 2003-04-23 | 光干渉測定装置およびこれを用いた光干渉測定方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN100464181C (zh) * | 2005-04-08 | 2009-02-25 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 用羽毛检测x射线源相干性的方法 |
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-
2003
- 2003-04-23 JP JP2003118350A patent/JP2004325176A/ja not_active Withdrawn
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