JP2009145838A - Laser beam scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザビーム走査装置に関するものである。 The present invention relates to a laser beam scanning apparatus.
レーザビーム走査装置は、レーザプリンタやＬＩＤＡＲ、加工装置、等の幅広い用途を有している。
従来において、レーザビーム走査装置の機構は機械的なものと電気的なものに大別できる。
前者のものとしては、ガルバノスキャナーやポリゴンミラーなどバルキーなものが多いが、最近では微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のような小型なものも研究開発されてきている。
また、後者のものとしては、音響光学素子や電気光学素子を用いたものが知られている。
Laser beam scanning devices have a wide range of applications such as laser printers, LIDARs, and processing devices.
Conventionally, the mechanism of a laser beam scanning device can be broadly divided into a mechanical one and an electric one.
As the former, there are many bulky devices such as a galvano scanner and a polygon mirror, but recently, a small device such as a micro electro mechanical system (MEMS) has been researched and developed.
As the latter, one using an acousto-optic element or an electro-optic element is known.
以上のうち、電気的なものは可動部品を必要としないという点で、信頼性、スピードの面で魅力的ではあるが、一方では課題も有している。
音響光学素子を用いるものは、回折効率が一般的に低い。その原因は振り角のダイナミックレンジを決める音響波のビームフォーミングと回折効率の間にトレードオフがあることである。
また、電気光学素子を用いるものは、電気光学定数が基本的に小さい物理量であるため、現状の素子デザインでは半波長電圧として〜数ｋＶは印加する必要がある。
Of these, the electrical ones are attractive in terms of reliability and speed in that they do not require moving parts, but they also have problems.
Those using acousto-optic elements generally have a low diffraction efficiency. The cause is that there is a trade-off between the beam forming of the acoustic wave that determines the dynamic range of the swing angle and the diffraction efficiency.
In addition, since an electro-optic element is basically a physical quantity having a small electro-optic constant, it is necessary to apply ˜several kV as a half-wave voltage in the current element design.
従来において、以上のような課題を克服する手法として、フォトニック結晶を利用した方法が提案されている。
これらは、端的には透過型グレーティングに波長可変レーザを適用したものであると言える。
具体的には、ある入射角に対して、角度方向に分光機能をもったデバイスを適用することによって、例えば、特許文献１のように、ある走査軸に対して可動部品を必要とせずにスキャナー機能を有する手段を構成するようにしたものが提案されている。
また、フォトニック結晶のデザインを適正化することによって、スーパープリズム効果を利用して、例えば、特許文献２のように、僅かな波長変化を大きな偏向角に転換するようにした光走査装置が提案されている。
一方、特許文献３に開示されているような、フォトニック結晶の代わりに、全反射鏡と部分反射鏡を用いて、遅延を与えたビームアレイを生成するようにしたバーチャル・イメージ・フェーズ・アレイ（ＶＩＰＡ）と、
波長可変光源を組み合わせ、ビーム走査する装置が提案されている（特許文献４）。
In short, it can be said that a tunable laser is applied to a transmission type grating.
Specifically, by applying a device having a spectral function in an angular direction with respect to a certain incident angle, for example, as disclosed in Patent Document 1, a scanner without requiring a movable part with respect to a certain scanning axis. A device having a function is proposed.
In addition, by optimizing the design of the photonic crystal, an optical scanning device has been proposed in which a slight change in wavelength is converted into a large deflection angle by utilizing the super prism effect, for example, as in Patent Document 2. Has been.
On the other hand, a virtual image phase array in which a delayed beam array is generated using a total reflection mirror and a partial reflection mirror instead of a photonic crystal as disclosed in Patent Document 3 (VIPA)
An apparatus that combines a wavelength variable light source and performs beam scanning has been proposed (Patent Document 4).
ところで、上記したフォトニック結晶の分光能を利用してビーム走査をするようにした従来例における装置では、光源とビーム走査系を一体化してモノリシックにできる一方で、高度なデバイス技術を必要とする。
そのため、技術的なハードルは高く、また、構造制御を利用しているため、近赤外域では適用可能であっても、短波長である紫外域では適用が実質的に難しい。このため、細胞レベルのマイクロサージェリー、紫外線による透明媒質の改質加工、等の応用には不適であった。
さらに、角度分散の起源が、フォトニック結晶の構造の異方性によるため、本質的に偏波依存性が強く、線形性が悪いという課題を有している。
また、上記した位相アレイ（ＶＩＰＡ）を用いてビーム走査をするようにした従来例における装置では、ビーム走査角のダイナミックレンジが非常に狭い（〜１°）という課題を有している。
そのため、コンパクトでかつダイナミックレンジの大きいビーム走査が必要な、例えばプリンターの応用などには不適であった。
By the way, in the apparatus in the conventional example in which beam scanning is performed by utilizing the spectral power of the photonic crystal described above, the light source and the beam scanning system can be integrated into a monolithic structure, but advanced device technology is required. .
Therefore, technical hurdles are high, and structural control is used. Therefore, even if it is applicable in the near infrared region, it is substantially difficult to apply in the ultraviolet region, which is a short wavelength. For this reason, it has been unsuitable for applications such as cell-level microsurgery and modification of transparent media with ultraviolet rays.
Furthermore, since the origin of angular dispersion is due to the anisotropy of the structure of the photonic crystal, there is a problem that the polarization dependence is essentially strong and the linearity is poor.
Further, the apparatus in the conventional example in which beam scanning is performed using the above-described phase array (VIPA) has a problem that the dynamic range of the beam scanning angle is very narrow (˜1 °).
Therefore, it is unsuitable for applications such as printers that require compact and large dynamic range beam scanning.
本発明は、上記課題に鑑み、可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査が可能となるレーザビーム走査装置を提供することを目的とするものである。 In view of the above problems, the present invention does not require a moving part, and can be applied to a short wavelength light source, and can perform beam scanning with a wide scanning angle at a high speed and with good linearity. Is intended to provide.
本発明は、次のように構成したレーザビーム走査装置を提供するものである。本発明のレーザビーム走査装置は、波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置であって、
前記部分透過型エタロンは、出射角の波長依存性が非線形性を示し、前記波長可変光源の波長を正弦波駆動することを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記部分透過型エタロンの副次的な回折成分をモニタする光検出手段を、更に有することを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記部分透過型エタロンは、全反射膜と部分透過膜との間に設けられたスペーサ層を備え、該スペーサ層に屈折率分布を有することを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記正弦波駆動による波長可変光源には、振幅変調器が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記正弦波駆動による波長可変光源と前記部分透過型エタロンとの間には、光増幅器が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記部分透過型エタロンは、吸収端が波長２００ｎｍ以下の材質のもので構成されていることを特徴とする。
The present invention provides a laser beam scanning apparatus configured as follows. The laser beam scanning device of the present invention is a laser beam scanning device that includes a wavelength tunable light source and a partially transmissive etalon, and makes the laser beam from the tunable light source incident on the partially transmissive etalon to perform laser beam scanning. And
The partially transmissive etalon is characterized in that the wavelength dependence of the emission angle exhibits nonlinearity, and the wavelength of the wavelength tunable light source is driven in a sine wave.
In addition, the laser beam scanning device of the present invention is further characterized by further comprising light detection means for monitoring a secondary diffraction component of the partial transmission type etalon.
In the laser beam scanning device according to the present invention, the partial transmission etalon includes a spacer layer provided between the total reflection film and the partial transmission film, and the spacer layer has a refractive index distribution. To do.
In the laser beam scanning device of the present invention, the tunable light source driven by the sine wave is provided with an amplitude modulator.
The laser beam scanning device of the present invention is characterized in that an optical amplifier is provided between the tunable light source driven by the sine wave and the partially transmissive etalon.
In the laser beam scanning device of the present invention, the partial transmission type etalon is made of a material whose absorption edge has a wavelength of 200 nm or less.
本発明によれば、可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査が可能となる。
また、本発明によれば、波長の走査範囲は感光体の吸収プロファイルに比べ十分に狭いので、感光体の波長依存性を回避することができる。
According to the present invention, no movable parts are required, and the present invention can be applied to a short wavelength light source, and beam scanning can be performed with a wide scanning angle due to high speed and good linearity.
Further, according to the present invention, the wavelength scanning range is sufficiently narrower than the absorption profile of the photoconductor, so that the wavelength dependency of the photoconductor can be avoided.
本発明は、上記構成により、可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査を可能とし、本発明の課題を達成したものであるが、それは本発明者らのつぎのような知見に基づくものである。
波長可変光源を高速変調する場合、正弦波駆動をすると好都合である。なぜなら、如何なる変調関数のプロファイルも三角関数で合成できるからである。
これは分散チューニング（実施例２）のような変調メカニズムの応答が速い波長可変光源に対してはあてはまる。
多電極半導体レーザ（実施例１）は一般に鋸波状のプロファイルが用いられるが、これは注入されるキャリアのダイナミクスがチャープを引き起こす可能性があるからである。
しかし、本発明では波長走査範囲は狭く、またレーザの線幅程度の速度でしか波長掃引しないので、上述の正弦波駆動が好都合ということになる。
そのため、正弦波上に変化する波長に対して、線形なビーム走査を可能にするデバイスが必要となる。
本発明はこのようなデバイスとして、正弦波駆動による波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、
前記正弦波駆動による波長可変光源のレーザビームの波長に対し、線形性を有するビーム走査が可能となるレーザビーム走査装置を、つぎのように構成したものである。
本発明は、部分透過型エタロンの出射角の波長依存性が非線形性を示すようにすることで、
前記正弦波駆動による波長可変光源のレーザビームの波長に対し、ビーム出射角が時間に対して略線形に変化することを利用したものである。
すなわち、本発明は、上記波長可変光源のビームを集光して入射することにより生じる、該エタロンの出射角の波長依存性を利用して、
可動部品を必要とせず、高速でかつ高い線形性を有するビーム走査を可能とするレーザビーム走査装置を構成したものである。
The present invention does not require moving parts and can be applied to a short-wavelength light source. The beam scanning can be performed at a wide scanning angle with a high speed and good linearity. This has been achieved, but it is based on the following findings of the present inventors.
When the wavelength tunable light source is modulated at high speed, it is convenient to drive the sine wave. This is because any modulation function profile can be synthesized by a trigonometric function.
This is true for a tunable light source having a fast response of a modulation mechanism such as dispersion tuning (Example 2).
A multi-electrode semiconductor laser (Example 1) generally uses a sawtooth profile because the dynamics of injected carriers may cause chirp.
However, in the present invention, the wavelength scanning range is narrow, and wavelength sweeping is performed only at a speed approximately equal to the line width of the laser. Therefore, the above-described sinusoidal driving is advantageous.
Therefore, there is a need for a device that enables linear beam scanning with respect to wavelengths that change on a sine wave.
The present invention, as such a device, makes a laser beam from a tunable light source driven by a sine wave incident on the partially transmissive etalon,
A laser beam scanning device capable of beam scanning having linearity with respect to the wavelength of the laser beam of the tunable light source driven by the sine wave is configured as follows.
The present invention allows the wavelength dependence of the emission angle of the partially transmissive etalon to exhibit nonlinearity,
This utilizes the fact that the beam emission angle changes substantially linearly with respect to the wavelength of the laser beam of the tunable light source driven by the sine wave.
That is, the present invention utilizes the wavelength dependence of the emission angle of the etalon, which is generated by collecting and entering the beam of the wavelength tunable light source,
A laser beam scanning apparatus that does not require moving parts and that enables high-speed and highly linear beam scanning is configured.
つぎに、本発明の実施形態における正弦波駆動による高速波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置について説明する。
まず、本発明の実施形態におけるレーザビーム走査装置の角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンについて説明する。
物理的な偏向のメカニズムとして、レーザの波長を掃引し、ある入射角において波長によって出射角が異なる媒質、またはデバイス（分光デバイス）に照射することを考える。出射角の変化量Δｑは、つぎの（１）式で示される。
First, a partially transmissive etalon constituting an angle dispersion device of a laser beam scanning apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.
As a physical deflection mechanism, it is considered that the wavelength of the laser is swept and irradiated to a medium or a device (spectral device) having an emission angle different depending on the wavelength at a certain incident angle. The change amount Δq of the emission angle is expressed by the following equation (1).
ここで、以下に示す角度分散と呼ばれる物理量は、分光デバイスのデザインで決まる。
Δλはレーザの離調であり、時間の関数である。すなわち角度分散の大きいデバイスを波長掃引幅の広いレーザで照射すれば、偏向角Δθを大きくできる。
また、波長掃引を高速に行えば、それに比例して高速なビーム走査が可能となる。
角度分散の大きいデバイスとして、従来においてはグレーティングやプリズムが知られている。
前述のスーパープリズムの角度分散は〜０．０８７ｒａｄ／ｎｍ程度である。
このようなスーパープリズム効果については、例えば、非特許文献であるＫ．Ｈｏｓａｋａ， ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．７４， ｐｐ．１３７０−１３７２ （１９９９）に開示されている。
部分透過型エタロンを用いても、上記スーパープリズムと同等以上の角度分散が得られる。
Δλ is the laser detuning and is a function of time. That is, if a device having a large angular dispersion is irradiated with a laser having a wide wavelength sweep width, the deflection angle Δθ can be increased.
Further, if the wavelength sweep is performed at a high speed, a high-speed beam scanning can be performed in proportion thereto.
Conventionally, gratings and prisms are known as devices having a large angular dispersion.
The angular dispersion of the aforementioned super prism is about 0.087 rad / nm.
As for such a super prism effect, for example, K.K. Hosaka, et al. Appl. Phys. Lett. Vol. 74, pp. 1370-1372 (1999).
Even if a partially transmissive etalon is used, angular dispersion equal to or greater than that of the super prism can be obtained.
その詳細について、つぎに説明する。
図１に、本発明の実施形態におけるレーザビーム走査装置の角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンの原理を説明するための図を示す。
全反射膜コーティング１００は入射部をはずしてコーティングされており、部分透過膜１０１と共にスペーサ層１０２をサンドイッチする構造になっている。
入射面に角度θ０で入射された光は屈折され、部分透過面に角度θｉｎで入射する。
ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）の位相整合条件と同様に考えると、図中の光路ＡＢＣと光路ＡＤの位相差が２πの整数倍となる角度が出射角θｏｕｔとして選択される。
このことから、エタロンの屈折率ｎｅ、厚みをｔとして、つぎの（２）式のような分散式が求まる。
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of a partially transmissive etalon constituting an angle dispersion device of a laser beam scanning apparatus according to an embodiment of the present invention.
The total
Light incident on the incident surface at an angle θ 0 is refracted and incident on the partial transmission surface at an angle θ in .
Considering the same as the Bragg phase matching condition, an angle at which the phase difference between the optical path ABC and the optical path AD in the figure is an integer multiple of 2π is selected as the emission angle θ out .
From this, a dispersion formula such as the following formula (2) is obtained, where the refractive index n e of the etalon and the thickness are t.
ここでｍは任意の整数、ｋ（＝２π／λ）は入射光の波数である。
これを用いて、ある入射条件、次数に対する出射角θｏｕｔを求めることができる。
なお、これらの式には、エタロン内でのコーティングの位相応答が考慮されていないが、現実的なエタロンの厚みに対しては、これらの寄与分は位相遅れに比して十分に小さいので無視できる。
角度分散を求めるには上式を波長で微分すればよい。例えば、８５０ｎｍにおいて、ｔ＝５０μｍ、θｉｎ＝３°としたときの角度分散は〜０．１となり、スーパープリズムと比して遜色のない値となる。
Here, m is an arbitrary integer, and k (= 2π / λ) is the wave number of incident light.
Using this, it is possible to obtain the exit angle θ out for a certain incident condition and order.
These equations do not take into account the phase response of the coating in the etalon, but for the actual etalon thickness, these contributions are sufficiently small compared to the phase lag, so they are ignored. it can.
In order to obtain angular dispersion, the above equation may be differentiated by wavelength. For example, at 850 nm, the angular dispersion when t = 50 μm and θ in = 3 ° is ˜0.1, which is a value comparable to that of the super prism.
本実施形態における角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンは、上記した図１に示されているように全反射膜と部分透過膜と、これらの間に設けられたスペーサ層とを備えている。
この部分透過型エタロンは、バーチャル・イメージ・フェーズ・アレイ（ＶＩＰＡ）の基本構成を備えた多光波干渉デバイスであるので、フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）が存在する。
本実施形態における部分透過型エタロンのＦＳＲとは、具体的には上記（２）式において、隣あう次数ｍとｍ＋１の周波数間隔である。
これは上記（２）式より、つぎの（３）式のようになる。
Since this partially transmissive etalon is a multi-wave interference device having a basic configuration of a virtual image phase array (VIPA), a free spectral range (FSR) exists.
Specifically, the FSR of the partially transmissive etalon in the present embodiment is the frequency interval between the adjacent orders m and m + 1 in the above equation (2).
This becomes the following equation (3) from the above equation (2).
すなわち、ＦＳＲは基本的にエタロンの厚みで決まり、十分に広いＦＳＲを確保するには十分に薄くする必要がある。
一方、図１の入射部において、１回反射したビームが全反射膜に到達する必要がある。また、多重反射されるビームのスポット径が、点光源として機能するように、それぞれが空間的に分離している必要がある。
このため、集光ビーム径をｗとすると、つぎの（４）式のようになる必要があるので、薄くできるエタロンの厚みは、実質的にビームのスポットサイズによって制限される。
ｗ＜２ｎeｔ ｔａｎθin （４）
例えば、ｎｅ＝１．４５，ｔ＝５０μｍのとき、波長８５０ｎｍにおいてＦＳＲは〜７ｎｍ程度であり、θｉｎ〜３°とするとｗ＜７．５μｍとなる。
しかし、エタロンの厚みの制約によって、生成される副次的な回折成分（異なるｍのオーダーに対するビーム）は、高速なビーム走査系を実現するのに好都合な結果をもたらす。これらについては後の実施例において詳述する。
なお、（２）式から明らかなように、部分透過型エタロンの角度分散は波長に対して非線形な関数となる。このため、フリースペクトルレンジを所定の値とすることで、正弦波駆動による高速波長可変光源のレーザビームの波長に対し、線形性を有するビーム走査を可能とすることができる。
That is, the FSR is basically determined by the thickness of the etalon, and needs to be sufficiently thin to ensure a sufficiently wide FSR.
On the other hand, in the incident portion of FIG. 1, the beam reflected once needs to reach the total reflection film. Moreover, it is necessary that the spot diameters of the multiple reflected beams are spatially separated so as to function as a point light source.
For this reason, assuming that the diameter of the focused beam is w, the following equation (4) needs to be satisfied. Therefore, the thickness of the etalon that can be reduced is substantially limited by the spot size of the beam.
w <2n e t tanθ in ( 4)
For example, when n e = 1.45, t = 50 μm, the FSR is about 7 nm at a wavelength of 850 nm, and when θ in ˜3 °, w <7.5 μm.
However, due to the etalon thickness constraints, the generated secondary diffraction components (beams for different m orders) have favorable results for realizing fast beam scanning systems. These will be described in detail in later examples.
As is clear from equation (2), the angular dispersion of the partially transmissive etalon is a non-linear function with respect to wavelength. Therefore, by setting the free spectral range to a predetermined value, it is possible to perform beam scanning having linearity with respect to the wavelength of the laser beam of the high-speed wavelength variable light source driven by sine wave.
なお、部分透過型エタロンは斜入射で使わない限り偏波依存性は現れない。
実際に用いるのはθ０〜０近傍であるため、本質的に偏波無依存であり、スーパープリズムと比して、より様々な波長可変光源に適用できるという特徴がある。部分透過型エタロンを上述のような厚み（ｔ〜５０μｍ）で使用する場合、部分透過型エタロンは片側クラッド端面で漏れ損失の大きいマルチモード光導波路となっているとみなすことができる。
一般に導波損失が空間的な関数であった場合、導波モードの強度分布は全反射面側に偏りを持ちやすい。
これを補償するためには、図２のスペーサ部の屈折率変調によるモード分布と出射光の振幅の関係を示す図のように、部分透過膜の反射率を導波方向にチャープさせると共に、全反射膜側の屈折率分布が相対的に低くなるようにする。
これによって、部分透過膜上の光強度分布は、例えばガウス型にすることができ、結像面においてアスペクト比のよいスポットが得られる。通常の部分透過型エタロンを用いて得られる指数関数的な光強度分布よりもアスペクト比が改善できるのは、そのフーリエ変換を考えると明らかである。
また、部分透過膜の透過率を空間的にチャープさせることによっても、同等の効果を得ることができる。
Note that the polarization dependence does not appear unless the partially transmissive etalon is used at oblique incidence.
Since it is actually used in the vicinity of θ 0 to 0, it is essentially independent of polarization, and is characterized in that it can be applied to a variety of wavelength tunable light sources as compared with a super prism. When the partially transmissive etalon is used with the above-described thickness (t to 50 μm), the partially transmissive etalon can be regarded as a multimode optical waveguide having a large leakage loss at the one-side clad end face.
In general, when the waveguide loss is a spatial function, the intensity distribution of the waveguide mode tends to be biased toward the total reflection surface.
In order to compensate for this, the reflectance of the partially transmissive film is chirped in the waveguide direction as shown in the diagram showing the relationship between the mode distribution by the refractive index modulation of the spacer portion in FIG. The refractive index distribution on the reflective film side is made relatively low.
As a result, the light intensity distribution on the partial transmission film can be, for example, a Gaussian type, and a spot with a good aspect ratio can be obtained on the imaging plane. It is clear from the Fourier transform that the aspect ratio can be improved over the exponential light intensity distribution obtained using a normal partially transmissive etalon.
The same effect can be obtained by spatially chirping the transmittance of the partially permeable membrane.
また、本実施形態において、更につぎのように構成することができる。
本実施形態においては、回折主成分と異なる次数である副次的な回折成分のビームによって、ビームの出射角を光検出手段によってモニタし、補正することができる。
その際、広い走査角を達成し、集光時のアスペクト比を向上させるには、部分透過型エタロン内部のスペーサ層を導波路とみなしたときの、特定のモードを励起することが望ましい。
また、本実施形態においては、部分透過型エタロンにおける全反射膜と部分透過膜との間のスペーサ層に屈折率分布を設けることで、モード分布を制御し、出力ビームを集光したときのアスペクト比を向上させることができる。
また、本実施形態においては、正弦波駆動による高速波長可変光源に振幅変調器を設けることによって、任意の点でビーム強度の制御が可能になる。
なお、高速ビーム走査を行うにあたっては、単位時間あたりの固定スポットへの照射量が減るので、高出力なレーザが必須となる。
しかしながら、一般に、正弦波駆動による半導体高速波長可変光源の出力は数ｍＷ程度である。
そこで、本実施の形態においては、光増幅器を部分透過型エタロンと正弦波駆動による高速波長可変光源の間に設けることで、更なる高速ビーム走査を可能にすることができる。
また、本実施形態においては、部分透過型エタロンに適切な材料を用いることにより、例えば、吸収端が２００ｎｍ以下の材質のものを用いることにより、短波長光源、例えば青色レーザダイオードの出力に対しても容易にビーム走査系を構成することが可能となる。
また、フォトニック結晶を用いたものに比べ、構成が簡易であるため、安価に作製することが可能となる。
Moreover, in this embodiment, it can further comprise as follows.
In the present embodiment, the beam emission angle can be monitored and corrected by the light detection means with a beam of a secondary diffraction component having an order different from that of the diffraction main component.
At that time, in order to achieve a wide scanning angle and improve the aspect ratio at the time of condensing, it is desirable to excite a specific mode when the spacer layer inside the partially transmissive etalon is regarded as a waveguide.
In this embodiment, the refractive index distribution is provided in the spacer layer between the total reflection film and the partial transmission film in the partial transmission type etalon, thereby controlling the mode distribution and the aspect when the output beam is condensed. The ratio can be improved.
In the present embodiment, the beam intensity can be controlled at an arbitrary point by providing an amplitude modulator in a high-speed wavelength variable light source driven by a sine wave.
Note that when performing high-speed beam scanning, a high-power laser is essential because the amount of irradiation to a fixed spot per unit time is reduced.
However, in general, the output of a semiconductor high-speed wavelength variable light source driven by a sine wave is about several mW.
Therefore, in this embodiment, by providing an optical amplifier between the partially transmissive etalon and the high-speed wavelength variable light source driven by a sine wave, it is possible to perform further high-speed beam scanning.
Further, in the present embodiment, by using a material suitable for the partially transmissive etalon, for example, by using a material having an absorption edge of 200 nm or less, the output of a short wavelength light source, for example, a blue laser diode is used. In addition, the beam scanning system can be easily configured.
In addition, since the configuration is simpler than that using a photonic crystal, it can be manufactured at low cost.
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、光源として、多電極型の分布ブラッグ（ＤＢＲ）−レーザダイオード（ＬＤ）を用いた、可動部品を必要としない高速ビームスキャナーについて説明する。
図３に、本実施例の高速ビームスキャナーの構成を説明するための図を示す。
図３において、４００は多電極型ＤＢＲ−ＬＤによる光源、４０１は電界吸収型変調器（ＥＡＭ）、４０２は電流ドライバー、４０３は波形整形器である。
４０４はファイバーピッグテール、４０５は非球面レンズ、４０６はシリンドリカルレンズ、４０７は部分透過型エタロン、４０８は結像光学系、４０９は感光ドラム、４１０は光検出器である。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
In the first embodiment, a high-speed beam scanner using a multi-electrode type distributed Bragg (DBR) -laser diode (LD) as a light source and requiring no moving parts will be described.
FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of the high-speed beam scanner of this embodiment.
In FIG. 3,
404 is a fiber pigtail, 405 is an aspherical lens, 406 is a cylindrical lens, 407 is a partially transmissive etalon, 408 is an imaging optical system, 409 is a photosensitive drum, and 410 is a photodetector.
本実施例において、多電極型ＤＢＲ−ＬＤによる光源４００には、波長が８５０ｎｍによるＧａＡｓベースの、多電極型ＤＢＲ−ＬＤが用いられる。
上記ＬＤは、キャリア注入による屈折率制御によって、発振波長は〜５ｎｍ可変であり、２０ＭＨｚの繰り返しで周期的に掃引できるように構成される。
アクティブな領域だけでなく、ＤＢＲ領域、及び位相領域に注入する信号を、電流ドライバー４０２から供給し、それらは別個に波形整形器４０３を用いて調整されている。出力波長は正弦波状に変化する。
なお、より広い波長域を掃引したい場合には、ＤＢＲ／ＤＦＢ構造の代わりにスーパーストラクチャーグレーティングを有するＬＤを利用してもよい。
これにより、さらに広範囲な波長掃引（〜５０ｎｍ）が可能である。
In this embodiment, a GaAs-based multi-electrode DBR-LD having a wavelength of 850 nm is used for the
The LD has a variable oscillation wavelength of ˜5 nm by refractive index control by carrier injection, and is configured to be able to sweep periodically with repetition of 20 MHz.
Signals to be injected into the DBR region and the phase region as well as the active region are supplied from the current driver 402, and they are adjusted separately using the
If it is desired to sweep a wider wavelength range, an LD having a superstructure grating may be used instead of the DBR / DFB structure.
This allows a wider range of wavelength sweeps (~ 50 nm).
ＤＢＲ−ＬＤの出力カップラーには電界吸収型変調器（ＥＡＭ：帯域〜１０ＧＨｚ）４０１が、導波路を介して接続されており、レーザ光は最終的にファイバーピッグテール４０４に導光される。
このＥＡＭ４０１は、デジタル信号と波形整形器４０３からの制御信号が重畳されて駆動される。
この制御信号にはレーザダイオードの出力モニタに基づく振幅制御信号、および部分透過型エタロンの副次的な回折成分からのタイミング制御信号が帰還されている。
電界吸収型の変調器は上記の多電極型ＬＤにモノリシックに集積することで、小型のデバイスが得られる。
また、上記のようにシングルモードファイバで接続する場合は、ＬｉＮｂＯ３のような電気光学効果を用いたデバイスを用いてもよい。
An electroabsorption modulator (EAM: band to 10 GHz) 401 is connected to the output coupler of the DBR-LD via a waveguide, and the laser light is finally guided to the
The
An amplitude control signal based on the output monitor of the laser diode and a timing control signal from a secondary diffraction component of the partially transmissive etalon are fed back to this control signal.
The electroabsorption modulator is monolithically integrated in the multi-electrode LD, and a small device can be obtained.
Moreover, when connecting with a single mode fiber as mentioned above, you may use the device using the electro-optic effect like LiNbO3.
ファイバからのビームは非球面レンズ４０５を用いて〜１ｍｍのビーム径にコリメートされる。
このビームをｆ＝１．５ｍｍのシリンドリカルレンズ４０６で３°傾けた部分透過型エタロン４０７に入射される。回折主成分は結像光学系４０８を介して感光ドラム４０９に結像される。
なお、エタロン入射部での集光径は〜３μｍであり、ビームの空間的な広がりは、後述のＦＳＲの角度範囲よりも大きくなるため、わずかながら副次的な回折成分が生じる理由となっている。
副次的な回折成分は波長が確定するようにスリットなどを介して光検出手段である光検出器４１０で検出され、強度、およびタイミングの情報を波形整形器４０３にフィードバックしている。
従来のビーム走査方式と異なり、結像光学系におけるビームの｀蹴られ´を利用する必要がないので、ビーム走査角度を余分に大きくする必要はない。
なお、これらのフィードバック用の信号はアレイ状の検出器を利用してもよいし、回折主成分を跨ぐ形で両側に配置してもよい。
The beam from the fiber is collimated using an
This beam is incident on a partially
The condensing diameter at the etalon incident part is ˜3 μm, and the spatial spread of the beam is larger than the angle range of the FSR described later, which is a reason for generating a slight secondary diffraction component. Yes.
The secondary diffraction component is detected by the
Unlike the conventional beam scanning method, it is not necessary to use the beam kicking in the imaging optical system, so that it is not necessary to increase the beam scanning angle excessively.
These feedback signals may use an array detector, or may be arranged on both sides so as to straddle the diffractive principal components.
部分透過型エタロンは、全反射膜（Ｒ＝９９．９％、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の積層）と、部分透過膜（Ｒ＝９６％、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の積層）と、これらの間に設けられたスペーサ層（５０μｍ厚のＴｉＯ２）と、によって構成されている。
本実施例においてはエタロンの内部入射角は〜１．３６°であるので、当然のことながら、偏光依存性はほぼ有していない。
入射部（２ｍｍ厚）は単層ＡＲコートされており、エタロンは５ｍｍφのフレームに固定されている。
入射部においては、ビームの集光が十分小さいため（〜３μｍ）、ビームの蹴られは無視できる。
なお、これらの構成材料は使用波長において光学的に透明であればよく、例えばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、フッ化物ポリマーなどを用いることで、紫外域まで使用可能である。
さらに、部分透過膜の反射率を空間的にチャープさせるために、例えばスパッタリングにおいて、スペーサ層が時間的に移動する機構を設け、部分透過膜の膜厚を空間的に制御してもよい。
また、ＵＶ光照射によって屈折率分布を誘起することや、ポリマーをスペーサ層に用いる場合には、ポリマーファイバなどに利用される屈折率分布形成技術を利用することで、適切な屈折率分布を設けてもよい。
これらによって、結像面上でのスポットのアスペクト比を改善することができ、ビーム強度を制御する変調器への負荷を軽減できる。
本実施例において、部分透過型エタロンのＦＳＲは〜７ｎｍであるので、±１．６ｎｍの波長範囲でレーザ波長を掃引すれば、他の次数とオーバーラップすることはない。これに対応する掃引角度範囲は〜２０°となる。
The partially transmissive etalon includes a total reflection film (R = 99.9%, a stack of TiO 2 and SiO 2 ), a partially transmissive film (R = 96%, a stack of TiO 2 and SiO 2 ), and a gap between them. And a spacer layer (50 μm thick TiO 2 ) provided.
In this embodiment, since the internal incident angle of the etalon is ˜1.36 °, it is natural that it has almost no polarization dependency.
The incident portion (2 mm thick) is coated with a single layer AR, and the etalon is fixed to a 5 mmφ frame.
At the entrance, the beam focusing is sufficiently small (˜3 μm), so that the kicking of the beam is negligible.
These constituent materials only have to be optically transparent at the wavelength used, and can be used up to the ultraviolet region by using, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , fluoride polymer, or the like.
Further, in order to spatially chirp the reflectance of the partially transmissive film, for example, in sputtering, a mechanism for moving the spacer layer temporally may be provided to control the film thickness of the partially transmissive film spatially.
In addition, when a refractive index distribution is induced by UV light irradiation, or when a polymer is used for the spacer layer, an appropriate refractive index distribution is provided by using a refractive index distribution forming technique used for a polymer fiber or the like. May be.
As a result, the aspect ratio of the spot on the imaging surface can be improved, and the load on the modulator for controlling the beam intensity can be reduced.
In the present embodiment, the FSR of the partially transmissive etalon is ˜7 nm. Therefore, when the laser wavelength is swept in the wavelength range of ± 1.6 nm, it does not overlap with other orders. The corresponding sweep angle range is ˜20 °.
図４に、本実施例における部分透過型エタロンの角度分散を示す。
角度分散は８５０ｎｍ近傍で〜０．１１ｒａｄ／ｎｍ程度になっており、中心波長から離れるに従って線形ではなくなる。
しかし、この特性によって、波長掃引を正弦波状に駆動することによって、ビーム走査の出射角度が時間に対して線形な関係となる。
なぜならば、波長変動がゆるやかな瞬間において、角度分散が大きな値を取るからである。
線形性の低い部分では光検出器４１０からのフィードバック信号に同期してＥＡＭ４０１を振幅変調してもよい。
図５に、出力波長（Ａ）、光検出器４１０の結像面における出力ビームスポット位置（Ｂ）の経時的変化を示す。
併せて、線形性の低いエッジ部でビームを遮断するための光検出器４１０からの信号（Ｃ、Ｄ）の経時的変化を示す。
部分透過型エタロンの出射角の波長依存性を反映して、ビームスポットの等速度性が向上することがわかる。
以上の本実施例の構成によれば、シンプルな構成で、可動部がなく、高速スキャンレート（＞２０ＭＨｚ）で、高い線形性、等速度性を有するスキャナーを構成することができる。
FIG. 4 shows the angular dispersion of the partially transmissive etalon in this example.
Angular dispersion is about .about.0.11 rad / nm near 850 nm and becomes non-linear as the distance from the center wavelength increases.
However, due to this characteristic, by driving the wavelength sweep in a sine wave shape, the emission angle of the beam scanning has a linear relationship with respect to time.
This is because the angular dispersion takes a large value at the moment when the wavelength fluctuation is gentle.
In the portion having low linearity, the
FIG. 5 shows changes with time in the output wavelength (A) and the output beam spot position (B) on the imaging plane of the
In addition, the change with time of the signals (C, D) from the
Reflecting the wavelength dependence of the emission angle of the partially transmissive etalon, it can be seen that the equal velocity of the beam spot is improved.
According to the configuration of the present embodiment described above, a scanner having a simple configuration, no moving parts, a high scan rate (> 20 MHz), and high linearity and constant velocity can be configured.
［実施例２］
実施例２では、紫外域で動作する、稼動部品を必要としない高速ビームスキャナーについて説明する。
本実施例では、光源として１．０６μｍの偏波保持Ｙｂ添加ファイバ光源をベースに、２６６ｎｍに波長変換された紫外光源のスキャナーの構成例について説明する。
図６に、本実施例の紫外域で動作するスキャナーの構成を説明するための図を示す。
図６において、８００はＹｂファイバ、８０１はシングルモードＬＤ、８０２はＷＤＭ、８０３は１３ｄＢカップラー、８０４は電気光学変調器、８０５はアイソレータである。
８０６はコア励起のＹｂファイバ増幅器、８０７はクラッド励起のＹｂ添加ファイバ増幅器、８０８はＰＰＬＮ、８１０はハーモニックセパレータ、８１１はＢＢＯ結晶、８１２はシリンドリカルレンズ、８１３は部分透過型エタロンである。
[Example 2]
In the second embodiment, a high-speed beam scanner that operates in the ultraviolet region and does not require moving parts will be described.
In this embodiment, a configuration example of a scanner of an ultraviolet light source wavelength-converted to 266 nm based on a 1.06 μm polarization-maintaining Yb-doped fiber light source as a light source will be described.
FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the scanner operating in the ultraviolet region of this embodiment.
In FIG. 6, 800 is a Yb fiber, 801 is a single mode LD, 802 is WDM, 803 is a 13 dB coupler, 804 is an electro-optic modulator, and 805 is an isolator.
806 is a core-pumped Yb fiber amplifier, 807 is a clad-pumped Yb-doped fiber amplifier, 808 is a PPLN, 810 is a harmonic separator, 811 is a BBO crystal, 812 is a cylindrical lens, and 813 is a partially transmissive etalon.
本実施例において、基本波の光源として、分散チューニングされたモード同期光源を用いる。
共振器はＹｂファイバ８００を含む９０ｍの偏波保持ファイバリングからなり、モード間隔は〜２．３ＭＨｚである。
Ｙｂ添加ファイバ長（カットオフ波長９２０ｎｍ、Ｙｂ３＋添加濃度２０００ｐｐｍ ）は７０ｃｍで、９８０ｎｍシングルモードＬＤ８０１（〜１００ｍＷ）でＷＤＭ８０２経由で励起される。
出力カップラーは１３ｄＢカップラー８０３である。
ＬｉＮｂＯ３の電気光学変調器（ＥＯ）８０４により強度変調し、〜１ＧＨｚ付近で分散チューニングされるようになっている。
すなわち、レーザの出力波長はＥＯに印加するＲＦ信号のダイナミックな変化に追従し、掃引される。
チューニング感度は〜４０ｎｍ／ＭＨｚである。
例えば１．０００ＧＨｚから１．００１ＧＨｚに線形に周波数掃引することで、１０３０〜１０８０ｎｍの波長範囲を波長スイープできるので、これに任意の繰り返し周波数で変調した信号をＥＯに印加すると波長掃引の周波数が決まる。
繰り返し周波数は最高で１００ｋＨｚである。
In this embodiment, a dispersion-tuned mode-locked light source is used as the fundamental light source.
The resonator consists of a 90 m polarization-maintaining fiber ring including
The Yb-doped fiber length (cutoff wavelength: 920 nm, Yb3 + doping concentration: 2000 ppm) is 70 cm, and is excited via
The output coupler is a 13
The intensity is modulated by a LiNbO3 electro-optic modulator (EO) 804, and dispersion tuning is performed in the vicinity of ~ 1 GHz.
That is, the output wavelength of the laser follows the dynamic change of the RF signal applied to the EO and is swept.
Tuning sensitivity is ˜40 nm / MHz.
For example, by linearly sweeping the frequency from 1.000 GHz to 1.001 GHz, the wavelength range of 1030 to 1080 nm can be swept, and when a signal modulated at an arbitrary repetition frequency is applied to EO, the wavelength sweep frequency is determined. .
The repetition frequency is a maximum of 100 kHz.
出力をコア励起のＹｂファイバ増幅器８０６、クラッド励起のＹｂ添加ファイバ増幅器８０７で順次増幅し、〜１５Ｗの出力を得る。
偏波保持ファイバの出射角に注意して、これを温度制御されたＰＰＬＮ８０８に入射し、〜１．５Ｗの５３２ｎｍに波長変換する。
振幅制御用の音響光学変調器８１４を通してハーモニックセパレータ８１０を通した後、再度ＢＢＯ結晶８１１に入射し、〜５０ｍＷの２６６ｎｍを得る。
この２６６ｎｍの波長変換光を１ｍｍにコリメートし、図４と同様にシリンドリカルレンズ８１２（ｆ〜１ｍｍ）を用いて以下の特性をもつ部分透過型エタロン８１３の入射端に入射する。
The output is sequentially amplified by the core-pumped
Paying attention to the emission angle of the polarization-maintaining fiber, it enters the temperature-controlled
After passing through a
The wavelength-converted light of 266 nm is collimated to 1 mm and is incident on the incident end of a partially
本実施例における部分透過型エタロンは、１０μｍ厚のＡｌ２Ｏ３からなるスペーサ層、Ｒ＝９９．８％ の全反射鏡（Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２誘電体多層膜４０層）、Ｒ＝９６．２％の部分反射鏡 （Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２誘電体多層膜２０層）から構成される。
図７に、部分透過型エタロンの出射角と波長分散の波長依存特性を説明するための図を示す。
そこには、入射角を３°としたときの応答を計算したものが示されている。
ＦＳＲは〜１．８ｎｍであり、角度分散は〜０．２５ｒａｄ／ｎｍであるが、本実施例では短波長なのでビームの有限な広がり（〜１２．５°）によって、角度の振れ幅は限定される。
しかしながら、光源の基本波は波長幅として〜４ｎｍの範囲を掃引すれば十分であり、高効率で所望の次数にパワーを入射することが可能で、さらに離調範囲がＦＳＲよりも十分狭いために、波長に対する出射角の線形性は非常によい。
十分なＦＳＲを利用するためには、部分透過型エタロンへの集光光学系の収差を低減することで対応できる。
本実施例の光源に対して、正弦的な波長掃引を行う場合には、入射角度を変えて、出射角の時間変化依存性の線形性を高めることができる。
上記のシステムは結像光学系を有する改質加工機に搭載されており、ラインスキャンをベースとするサブミクロンオーダーのパターニングや改質加工に用いてもよい。
The partially transmissive etalon in this example is a spacer layer made of 10 μm thick Al 2 O 3 , R = 99.8% total reflection mirror (40 layers of Al 2 O 3 / SiO 2 dielectric multilayer film), R = It is composed of 96.2% partial reflector (20 layers of Al 2 O 3 / SiO 2 dielectric multilayer film).
FIG. 7 is a diagram for explaining the wavelength dependence characteristics of the emission angle and chromatic dispersion of the partially transmissive etalon.
This shows a calculation of the response when the incident angle is 3 °.
The FSR is ˜1.8 nm and the angular dispersion is ˜0.25 rad / nm. However, in this example, since the wavelength is short, the oscillating width of the angle is limited by the finite spread (˜12.5 °) of the beam. The
However, it is sufficient that the fundamental wave of the light source sweeps a wavelength range of ˜4 nm, power can be incident at a desired order with high efficiency, and the detuning range is sufficiently narrower than FSR. The linearity of the emission angle with respect to the wavelength is very good.
In order to utilize sufficient FSR, it can respond by reducing the aberration of the condensing optical system to a partial transmission type etalon.
When sinusoidal wavelength sweeping is performed on the light source of this embodiment, the incident angle can be changed to increase the linearity of the time-dependent dependence of the emission angle.
The above system is mounted on a reforming machine having an imaging optical system, and may be used for sub-micron order patterning and reforming processing based on a line scan.
１００：全反射膜
１０１：部分透過膜
１０２：スペーサ層
４００：多電極型ＤＢＲ−ＬＤによる光源
４０１：電界吸収型変調器
４０２：電流ドライバー
４０３：波形整形器
４０４：ファイバピッグテール
４０５：非球面レンズ
４０６：シリンドリカルレンズ
４０７：部分透過型エタロン
４０８：結像光学系
４０９：感光ドラム
４１０：光検出器
８００：Ｙｂファイバ
８０１：シングルモードＬＤ
８０２：ＷＤＭ
８０３：１３ｄＢカップラー
８０４：電気光学変調器
８０５：アイソレータ
８０６：コア励起のＹｂファイバ増幅器
８０７：クラッド励起のＹｂ添加ファイバ増幅器
８０８：ＰＰＬＮ
８１０：ハーモニックセパレータ
８１１：ＢＢＯ結晶
８１２：シリンドリカルレンズ
８１３：部分透過型エタロン
100: Total reflection film 101: Partial transmission film 102: Spacer layer 400:
802: WDM
803: 13 dB coupler 804: electro-optic modulator 805: isolator 806: core-pumped Yb fiber amplifier 807: clad-pumped Yb-doped fiber amplifier 808: PPLN
810: Harmonic separator 811: BBO crystal 812: Cylindrical lens 813: Partially transmissive etalon
Claims (6)
前記部分透過型エタロンは、出射角の波長依存性が非線形性を示し、前記波長可変光源の波長を正弦波駆動することを特徴とするレーザビーム走査装置。 A laser beam scanning device that includes a wavelength tunable light source and a partially transmissive etalon, makes a laser beam from the tunable light source incident on the partially transmissive etalon, and performs laser beam scanning,
The partially transmissive etalon is a laser beam scanning device characterized in that the wavelength dependence of the emission angle exhibits nonlinearity, and the wavelength of the wavelength tunable light source is driven in a sine wave.
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