JP5947172B2 - 波長変換型空間光変調装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換型空間光変調装置に関するものである。

非特許文献１には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いて紫外光（波長４００ｎｍ）のフーリエ面における位相変調を行う技術が記載されている。この非特許文献１で用いられているＭＥＭＳミラーは、２００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長範囲に含まれる光を空間的に位相変調することが可能である。

また、非特許文献２には、紫外域を含む波長範囲の光を透過可能な液晶デバイスを用いて、広帯域光のフーリエ面における位相変調を行う技術が記載されている。この非特許文献２で用いられている液晶デバイスは、２６０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長範囲に含まれる光を空間的に位相変調することが可能である。なお、この非特許文献２で用いられている液晶自体の評価結果が、非特許文献３に記載されている。

また、非特許文献４には、３５０ｎｍ帯の光を空間的に位相変調する技術が記載されている。この非特許文献４で用いられている位相変調デバイスは、回折光学素子（ＤＯＥ；Diffractive Optics Elements）といった固定の変調パターンを有するデバイスであると考えられる。

また、非特許文献５には、紫外レーザ光のパルス波形制御を目的として、フーリエ面における位相変調の後に波長変換を行う技術が記載されている。

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近年、レーザ加工の分野において、空間光変調器を用いてレーザ光を空間的に位相変調することが行われている。空間光変調器を用いることによって、レーザ光を任意のパターンに整形することができ、様々な特徴的な加工を実現できるからである。

また、近年、レーザ加工の分野では、紫外レーザ光による加工が試みられている。紫外レーザ光による加工は、近赤外光や可視光による加工と比較して、レーザ光が様々な材料に吸収され易く、スポット径を小さくできるため微細な加工が可能であり、加工対象への熱の影響が低減されるといった多くの利点を有する。このため、紫外レーザ光による加工は、加工可能な材料の適用範囲を広げるとともに、高品質且つ微細な加工を実現し得る。また、紫外レーザ光は、フォトリソグラフィにおける露光や紫外線硬化樹脂への照射など、化学的な作用による加工にも好適に用いられる。

しかしながら、紫外レーザ光の光子エネルギが近赤外光や可視光と比較して大きいため、空間光変調器を用いて紫外レーザ光を空間的に位相変調すると、空間光変調器の動作に影響を及ぼす場合がある。例えば、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）型の空間光変調器の場合、液晶層やその両側に設けられた配向膜を紫外レーザ光が透過することによってこれらが次第に劣化するので、変調動作を安定的に行うことが困難となる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、空間的に位相変調された紫外レーザ光を出力することができ、且つ空間光変調部への影響を低減することができる波長変換型空間光変調装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による波長変換型空間光変調装置は、紫外域よりも長い波長域のレーザ光を入力し、二次元配列された複数の領域毎にレーザ光の位相を変調して変調レーザ光を生成する位相変調面を有する空間光変調部と、空間光変調部から出力された変調レーザ光を受ける光入射面を有し、変調レーザ光の波長を紫外域の波長に変換する波長変換部と、空間光変調部の位相変調面と波長変換部の光入射面とを、互いに光学的に共役な系となるように結合する像転写光学系とを備えることを特徴とする。

この波長変換型空間光変調装置は、空間光変調部及び波長変換部を備えている。空間光変調部は、紫外域よりも長い波長域（例えば可視域など）のレーザ光を入力し、このレーザ光を空間的に位相変調する。したがって、紫外レーザ光を入力する場合と比較して、空間光変調部の動作への影響が格段に低減される。また、波長変換部は、空間光変調部から出力された変調レーザ光の波長を紫外域の波長に変換する。これにより、空間的に位相変調された紫外レーザ光を好適に出力することができる。

また、通常、空間的に不均一な位相変調がレーザ光に施されると、そのレーザ光は各変調点を点光源とするような伝播特性を示す。したがって、位相変調後のレーザ光における位相分布は、レーザ光の進行に伴って次第に変化してしまう。このような問題点に鑑み、上記の波長変換型空間光変調装置では、像転写光学系によって、空間光変調部の位相変調面と波長変換部の光入射面とが、互いに光学的に共役な系となるように結合されている。これにより、空間光変調部の位相変調面においてレーザ光に与えられた位相分布を波長変換部の光入射面（すなわち波長変換面）へ転写し、所望の位相分布がレーザ光に付与された状態で波長変換を行うことができる。したがって、上記の波長変換型空間光変調装置によれば、所望の位相変調が施された紫外レーザ光を好適に出力することができる。

また、波長変換型空間光変調装置は、空間光変調部が、印加電界の大きさに応じてレーザ光の位相を変調する液晶層と、液晶層の両側に配置された配向膜と、複数の領域毎に設けられ、印加電界を発生させる電圧を液晶層に印加する複数の電極とを有することを特徴としてもよい。このような空間光変調部の液晶層や配向膜を紫外レーザ光が透過すると、液晶層や配向膜が次第に劣化してしまう。上記の波長変換型空間光変調装置によれば、紫外域よりも長い波長域のレーザ光を空間光変調部に入力するので、液晶層や配向膜へのこのような影響を低減しつつ、空間的に位相変調された紫外レーザ光を好適に出力することができる。

また、波長変換型空間光変調装置は、波長変換部が非線形光学結晶を含むことを特徴としてもよい。これにより、紫外域よりも長い波長域の変調レーザ光の波長を、紫外域の波長に好適に変換することができる。この場合、非線形光学結晶は、変調レーザ光の高調波を発生することによりレーザ光の波長を紫外域の波長に変換してもよい。或いは、波長変換部が、空間光変調部から出力された変調レーザ光とは別の光束を変調レーザ光とともに光入射面に受け、変調レーザ光と前記別の光束とを用いて変調レーザ光の波長を紫外域の波長に変換してもよい。この場合、波長変換部が非線形光学結晶を含み、変調レーザ光と光束との和周波または差周波を発生することにより変調レーザ光の波長を紫外域の波長に変換してもよい。なお、上記別の光束は、空間光変調部に入力される前のレーザ光から分波された光であることが好ましい。

また、波長変換型空間光変調装置は、像転写光学系が４ｆ光学系を含むことを特徴としてもよい。これにより、空間光変調部の位相変調面においてレーザ光に与えられた位相分布を、波長変換部の光入射面へ好適に転写することができる。

本発明による波長変換型空間光変調装置によれば、空間的に位相変調された紫外レーザ光を出力することができ、且つ空間光変調部への影響を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る波長変換型空間光変調装置の構成を概略的に示す図である。 上述した光変調装置の具体例としての光変調装置を示す図である。 像転写光学系及び上記所定の光学系の具体例を示す図である。 空間光変調部の例として、ＳＬＭモジュールを示す側断面図である。 反射型ＳＬＭの平面図である。 図５に示された反射型ＳＬＭのVI−VI線に沿った側断面図である。 実施例として、本実施形態の光変調装置を用いて文字パターンを生成した結果を示す図である。 フレネルレンズ状の位相パターンの例を示す図である。 焦点距離が１２ｍであるフレネルレンズの位相パターンを用いて位相変調を行った場合における、スポット観察像を示す図である。 ＢＢＯ結晶における変調レーザ光（波長５１５ｎｍ）から紫外レーザ光（波長２５８ｎｍ）への波長変換効率と、フレネルレンズ状の位相パターンの焦点距離との関係をプロットしたグラフである。 （ａ）（ｂ）シリンドリカルレンズ状の位相パターンの例を示す図である。 一次元回折格子状の位相パターンの例を示す図である。 焦点距離が８ｍであるシリンドリカルレンズの位相パターンを用いて位相変調を行った場合における観察像を示す図である。 格子間隔が２００μｍである二値回折格子の位相パターンを用いて位相変調を行った場合における観察像を示す図である。 上記実施形態の像転写光学系の変形例として、像転写光学系３３の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光変調装置の構成を概略的に示す図である。 上述した光変調装置の具体例としての光変調装置を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による波長変換型空間光変調装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る波長変換型空間光変調装置（以下、光変調装置という）の構成を概略的に示す図である。本実施形態の光変調装置１Ａは、空間光変調部１０と、波長変換部２０と、像転写光学系３０とを備えている。

空間光変調部１０は、二次元配列された複数の領域毎に入力光の位相を変調する位相変調面１０ａを有する。本実施形態の空間光変調部１０は、例えばＬＣＯＳ型の空間光変調器によって構成される。空間光変調部１０は、紫外域よりも長い波長域（例えば可視域や赤外域。具体的には、波長４００ｎｍ以上）のレーザ光Ｌ１を位相変調面１０ａに入力し、上述した複数の領域毎にレーザ光Ｌ１の位相を変調し、レーザ光Ｌ１の光軸に対して垂直な断面（以下、ビーム断面という）の各点に所定の位相変調を施したのち、位相変調後のレーザ光（以下、変調レーザ光という）Ｌ２を出力する。

波長変換部２０は、空間光変調部１０から出力された変調レーザ光Ｌ２を受ける光入射面を有しており、変調レーザ光Ｌ２の波長を紫外域の波長（例えば２００ｎｍ〜４００ｎｍ）に変換する。波長変換部２０は、波長変換後の紫外レーザ光Ｌ３を光変調装置１Ａの外部へ出力する。

波長変換部２０としては、波長変換前の光波位相情報が波長変換後の光波位相情報と一定の関数関係を有する性質のものが用いられる。そのため、波長変換部２０は、例えば非線形光学結晶を含んで構成され、変調レーザ光Ｌ２の高調波（第２高調波等）を発生することによって、変調レーザ光Ｌ２を紫外レーザ光Ｌ３に変換する。例えば非線形光学結晶が第２高調波を発生する場合、入力された変調レーザ光Ｌ２のビーム断面の各点の電場の２乗に比例した出力光が生成されるので、変調レーザ光Ｌ２のビーム断面の各点における位相変調量に対して、２倍の位相変調量を各点で有する紫外レーザ光Ｌ３を得ることができる。なお、高調波を発生する方式はあくまで一例であって、波長変換部２０の構成はこれに限定されるものではない。

ここで、通常、空間的に不均一な位相変調がレーザ光に施されると、そのレーザ光は各変調点を点光源とするような伝播特性を示す。したがって、変調レーザ光Ｌ２における位相分布は、変調レーザ光Ｌ２の進行に伴って次第に変化する。このため、本実施形態では、像転写光学系３０が、位相変調面１０ａにおける変調レーザ光Ｌ２のビーム断面の強度および位相分布を、波長変換部２０の光入射面（波長変換面）におけるビーム断面の強度および位相分布に転写する。

すなわち、本実施形態の像転写光学系３０は、空間光変調部１０と波長変換部２０との間に配置された光学系であって、空間光変調部１０の位相変調面１０ａと波長変換部２０の光入射面とを、互いに光学的に共役な系となるように結合する。像転写光学系３０は、一又は複数のレンズを含んで構成される。像転写光学系３０の構成としては、平行光を平行光へと対応づける特性を有する４ｆ光学系が好ましく、また、複数の４ｆ光学系を連結した構成であってもよいが、これらに限定されるものではない。例えば、像転写光学系３０は、１枚の単レンズによって位相変調面１０ａと波長変換部２０の光入射面とを共役とする光学系であってもよい。また、像転写光学系３０の前後の結像面同士の関係は、拡大、等倍、縮小のいずれであってもよい。

このような像転写光学系３０の作用により、空間光変調部１０の位相変調面１０ａにおいて与えられた変調レーザ光Ｌ２の位相分布を、波長変換部２０の光入射面（波長変換面）へ転写し、変調レーザ光Ｌ２が所望の位相分布を維持した状態で波長変換を行うことができる。換言すれば、波長変換面における変調レーザ光Ｌ２の各点の位相変調量は、空間光変調部１０の位相変調面１０ａの共役点における位相変調量と同一の大きさとなる。これにより、波長変換時のビーム断面の各点における位相変調量を好適に制御することができる。

本実施形態の光変調装置１Ａによれば、以上の構成を備えることによって、波長変換部２０における紫外レーザ光Ｌ３のビーム断面の各点の空間位相変調量を、空間光変調部１０における位相変調によって好適に制御することができるので、ビーム断面の各点に所望の位相変調が施された紫外レーザ光Ｌ３を好適に出力することができる。

図２は、上述した光変調装置１Ａの具体例としての光変調装置１Ｂを示す図である。図２に示される光変調装置１Ｂは、上述した空間光変調部１０、波長変換部２０、及び像転写光学系３０に加えて、光源４１、ビームエキスパンダ４２、アッテネータ４３、集光レンズ４４および加工ステージ４５を備えている。

光源４１は、例えば波長５１５ｎｍ、パルス幅１．０ｐｓ、繰り返し周波数１００Ｈｚのパルスレーザ光をレーザ光Ｌ１として出力する。光源４１は、例えば超短パルスレーザ光源４１ａ及び第２高調波（ＳＨＧ）変換ユニット４１ｂによって好適に構成される。光源４１がレーザ光Ｌ１として波長５１５ｎｍの光を出力する場合、超短パルスレーザ光源４１ａは、波長１０３０ｎｍの光を出力する。ＳＨＧ変換ユニット４１ｂは、この光の第２高調波、すなわち波長５１５ｎｍの光を生成する。光源４１から出力されたレーザ光Ｌ１は、ビームエキスパンダ４２及びアッテネータ４３によって最適なビームプロファイル及び光強度に調整された後、空間光変調部１０に入射する。なお、アッテネータ４３は、例えば波長板４３ａ及び偏光ビームスプリッタ４３ｂを含んで構成されるとよい。

像転写光学系３０は、２枚のレンズ３１，３２を含むリレー光学系によって構成されている。前述したように、像転写光学系３０は、空間光変調部１０の位相変調面と波長変換部２０の光入射面とを、互いに光学的に共役な系となるように結合する。

波長変換部２０は、例えばＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶といった、紫外域の高調波生成に適した非線形光学結晶である。この例では光源４１として超短パルスレーザ光源４１ａが用いられているので、非線形光学結晶の厚さを、像転写光学系３０による共役関係が十分保たれる長さ以下に設定しても、十分な変換効率を得ることが可能である。なお、光源４１として超短パルスレーザ光源４１ａ以外の光源（連続光源など）が用いられる場合、波長変換効率を高めるために波長変換部２０として長尺の非線形光学結晶が用いられる。したがって、像転写光学系３０は、光軸方向における非線形光学結晶の幅をも考慮した焦点深度の大きい共役系を有することが好ましい。

この光変調装置１Ｂでは、空間光変調部１０の位相変調面と波長変換部２０の波長変換面（非線形光学結晶面）とが、像転写光学系３０のリレー光学系によって互いに共役関係となっている。これにより、位相変調面での変調波面が非線形光学結晶面に転送される。そして、転送された光（変調レーザ光Ｌ２）は、非線形光学結晶において１／２の波長の光へと変換され、紫外レーザ光Ｌ３として出射される。このとき、出射光の波面の位相変調量は、空間光変調部１０に付与された位相変調量の２倍となる。これにより、紫外レーザ光Ｌ３（波長２５８ｎｍ）の波面変調が好適に実現される。

なお、図２に示されるように、変調された紫外レーザ光Ｌ３が、波長変換部２０の非線形光学結晶面から所定の光学系（例えば４ｆ光学系）を介して加工対象物Ａの加工部位へと導光されることにより、加工対象物Ａに対する所望のパターンでの加工が可能となる。なお、この例では、上記所定の光学系として集光レンズ４４が例示されているが、所定の光学系はこれに限られない。

図３は、像転写光学系３０及び上記所定の光学系の具体例を示す図である。図２に示される光変調装置１Ｂにおいて、空間光変調部１０の位相変調面１０ａによって与えられた位相分布を波長変換部２０の波長変換面２０ａへ正確に転送するためには、位相変調面１０ａと波長変換面２０ａとがフーリエ共役の関係を有することが好適である。例えば、図３に示されるように、位相変調面１０ａとレンズ３１との距離をレンズ３１の焦点距離ｆ１（例えば２５０ｍｍ）と等しくし、レンズ３１とレンズ３２との距離を焦点距離ｆ１とレンズ３２の焦点距離ｆ２（例えば１００ｍｍ）との和と等しくし、レンズ３２と波長変換面２０ａとの距離を焦点距離ｆ２と等しくするとよい。また、波長変換面２０ａとレンズ４４との距離、及び、レンズ４４と結像面４６（加工対象物の表面）との距離を、それぞれレンズ４４の焦点距離ｆ３（例えば２００ｍｍ）と等しくするとよい。

このような像転写光学系３０によって、位相変調面１０ａと波長変換面２０ａとが縮小光学系として互いに対応付けられ、且つ、位相変調面１０ａで生成された変調レーザ光Ｌ２が、フーリエ共役面である波長変換面２０ａにおいて結像される。なお、実際に微細加工を行う際には、位相変調面１０ａにおける位相分布を対物レンズ４４の瞳面に転送し、適切な大きさのパターンを得ることが好適である。

図４は、空間光変調部１０の例として、ＳＬＭ（Spatial Light Modulator）モジュール１１を示す側断面図である。このＳＬＭモジュール１１は、筐体１２と、筐体１２の内部に収容されたプリズム１３および反射型ＳＬＭ１４とを備えている。筐体１２は略直方体状の外観を有しており、その一対の側壁の一方には開口１２ａが設けられており、他方には開口１２ｂが設けられている。開口１２ａには、図２に示された光源４１からレーザ光Ｌ１が入射する。

プリズム１３は、その一断面が三角形状となる四面体を呈しており、該三角形状の三辺のうち一辺を含む第１の面１３ａと、他の一辺を含む第２の面１３ｂと、残りの一辺を含む第３の面１３ｃとを有する。第１の面１３ａには、レーザ光Ｌ１を反射する誘電体多層膜鏡１８ａが形成されており、第２の面１３ｂには、同様にレーザ光Ｌ１を反射する誘電体多層膜鏡１８ｂが形成されている。プリズム１３は、その厚さ方向が、開口１２ａと開口１２ｂとを結ぶ軸線と直交するように、筐体１２の底板１２ｃ上に載置される。そして、プリズム１３の第１の面１３ａは筐体１２の開口１２ａに向けて配置され、第２の面１３ｂは開口１２ｂに向けて配置される。プリズム１３の第３の面１３ｃは、筐体１２の底板１２ｃ上に配置される。

反射型ＳＬＭ１４は、筐体１２の内部においてプリズム１３の上方に配置される。反射型ＳＬＭ１４は、誘電体多層膜鏡１８ａにて反射したレーザ光Ｌ１を斜め前方より受け、該レーザ光Ｌ１を反射させつつ、二次元配列された複数の領域（画素）毎にレーザ光Ｌ１を位相変調することにより変調レーザ光Ｌ２を生成する。なお、反射型ＳＬＭ１４は、あおり機構１６によって支持されている。あおり機構１６は、反射型ＳＬＭ１４の角度を調整するために筐体１２に固定されており、反射型ＳＬＭ１４を吊下している。あおり機構１６と筐体１２の天板１２ｄとの間には、反射型ＳＬＭ１４を制御するための回路基板１７が配置されている。

図５及び図６は、反射型ＳＬＭ１４の構成例を示す図である。図５は、反射型ＳＬＭ１４の平面図である。また、図６は、図５に示された反射型ＳＬＭ１４のVI−VI線に沿った側断面図である。本実施形態の反射型ＳＬＭ１４は、図５に示すように二次元配列された複数の画素領域１４ａを備えている。また、図６を参照すると、反射型ＳＬＭ１４は、シリコン基板１４ｂ、駆動回路層１４ｃ、複数の画素電極１４ｄ、誘電体多層膜１４ｅ、液晶層１４ｆ、透明導電膜１４ｇ、及び透明基板１４ｈを備えている。

透明基板１４ｈは、例えばガラスなどの光透過性材料を主に含んでおり、入射したレーザ光Ｌを反射型ＳＬＭ１４の内部へ透過させる。透明導電膜１４ｇは、透明基板１４ｈの裏面上に形成されており、レーザ光Ｌ１を透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）を主に含んで構成されている。複数の画素電極１４ｄは、図５に示された複数の画素領域１４ａの配列に従って二次元状に配列されており、透明導電膜１４ｇに沿ってシリコン基板１４ｂ上に配列されている。各画素電極１４ｄは、例えばアルミニウムといった金属材料からなり、それらの表面は平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極１４ｄは、駆動回路層１４ｃに設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。アクティブ・マトリクス回路は、反射型ＳＬＭ１４から出力しようとする変調レーザ光Ｌ２の光像に応じて各画素電極１４ｄへの印加電圧を制御する。

液晶層１４ｆは、複数の画素電極１４ｄと透明導電膜１４ｇとの間に配置されており、その両側（液晶層１４ｆと画素電極１４ｄとの間、および液晶層１４ｆと透明導電膜１４ｇとの間）には、配向膜１４ｊ及び１４ｋがそれぞれ配置されている。液晶層１４ｆは、各画素電極１４ｄと透明導電膜１４ｇとにより形成される電界に応じてレーザ光Ｌ１の位相を変調する。すなわち、アクティブ・マトリクス回路によって或る画素電極１４ｄに電圧が印加されると、透明導電膜１４ｇと該画素電極１４ｄとの間に電界が形成される。この電界は、誘電体多層膜１４ｅ及び液晶層１４ｆのそれぞれに対し、各々の厚さに応じた割合で印加される。そして、液晶層１４ｆに印加された電界の大きさに応じて液晶分子Ｃの配列方向が変化する。レーザ光Ｌ１が透明基板１４ｈ及び透明導電膜１４ｇを透過して液晶層１４ｆに入射すると、このレーザ光Ｌ１は液晶層１４ｆを通過する間に液晶分子Ｃによって変調され、誘電体多層膜１４ｅにおいて反射した後、再び液晶層１４ｆにより変調されてから取り出される。誘電体多層膜１４ｅは、複数の画素電極１４ｄと液晶層１４ｆとの間に配置されており、画素電極１４ｄの表面が有する光反射作用と協働して、レーザ光Ｌ１を高い反射率で反射する。

以上の構成を備える本実施形態の光変調装置１Ａ，１Ｂによって得られる効果について説明する。この光変調装置１Ａ，１Ｂは、空間光変調部１０及び波長変換部２０を備えている。空間光変調部１０は、紫外域よりも長い波長域のレーザ光Ｌ１を入力し、このレーザ光Ｌ１を空間的に位相変調する。したがって、紫外レーザ光を入力する場合と比較して、空間光変調部１０の動作への影響が格段に低減される。また、波長変換部２０は、空間光変調部１０から出力された変調レーザ光Ｌ２の波長を紫外域の波長に変換する。これにより、空間的に位相変調された紫外レーザ光Ｌ３を好適に出力することができる。

また、この光変調装置１Ａ，１Ｂでは、像転写光学系３０によって、空間光変調部１０の位相変調面１０ａと波長変換部２０の波長変換面２０ａとが、互いに光学的に共役な系となるように結合されている。これにより、空間光変調部１０の位相変調面１０ａにおいてレーザ光Ｌ１に与えられた位相分布を波長変換部２０の波長変換面２０ａへ転写し、所望の位相分布が変調レーザ光Ｌ２に付与された状態で波長変換を行うことができる。したがって、本実施形態の光変調装置１Ａ，１Ｂによれば、所望の位相変調が施された紫外レーザ光Ｌ３を好適に出力することができる。

また、本実施形態のように、空間光変調部１０は、印加電界の大きさに応じてレーザ光Ｌ１の位相を変調する液晶層１４ｆと、液晶層１４ｆの両側に配置された配向膜１４ｊ及び１４ｋと、複数の領域毎に設けられ、印加電界を発生させる電圧を液晶層１４ｆに印加する複数の電極１４ｄとを有してもよい。このような空間光変調部１０の液晶層１４ｆや配向膜１４ｊ及び１４ｋを紫外レーザ光が透過すると、液晶層１４ｆや配向膜１４ｊ及び１４ｋが次第に劣化してしまう。本実施形態の光変調装置１Ａ，１Ｂによれば、紫外域よりも長い波長域のレーザ光Ｌ１を空間光変調部１０に入力するので、液晶層１４ｆや配向膜１４ｊ及び１４ｋへのこのような影響を低減しつつ、空間的に位相変調された紫外レーザ光Ｌ３を好適に出力することができる。

また、本実施形態のように、波長変換部２０は非線形光学結晶を含むことが好ましい。これにより、紫外域よりも長い波長域の変調レーザ光Ｌ２の波長を、紫外域の波長に好適に変換することができる。

また、本実施形態のように、像転写光学系３０は４ｆ光学系を含むことが好ましい。これにより、空間光変調部１０の位相変調面１０ａにおいてレーザ光Ｌ１に与えられた位相分布を、波長変換部２０の光入射面２０ａへ好適に転写することができる。

ここで、図７は、実施例として、本実施形態の光変調装置１Ｂを用いて文字パターンを生成した結果を示す図である。この実施例では、文字パターン「Ｈ」、「Ｐ」、「Ｋ」、及び「ＨＰＫ」を生成し、また、紫外レーザ光Ｌ３（波長２５８ｎｍ）の生成パターンの強度分布を結像面４６（図３を参照）に設置したビームプロファイラを用いて観察した。更に、レーザ光Ｌ１（波長５１５ｎｍ）から紫外レーザ光Ｌ３（波長２５８ｎｍ）への波長変換効率を測定した。

その結果、位相変調を行わない状態での波長変換効率は１２．８％であった。これに対し、位相変調により文字パターン「Ｈ」を生成したときの波長変換効率は９．２％であり、文字パターン「Ｐ」を生成したときの波長変換効率は８．４％であり、文字パターン「Ｋ」を生成したときの波長変換効率は８．６％であった。これらのように、１文字からなる文字パターンでは、波長変換効率を大きく損なうことなくパターン生成が可能であることが確認された。

なお、文字パターン「ＨＰＫ」を生成したときの波長変換効率は１．８％であった。ＳＬＭによって与えられるべき位相変調量は、生成パターンの複雑さに伴って大きくなる。３文字からなる文字パターン「ＨＰＫ」では、空間ピッチの細かい変調に起因して、光の高角度散乱成分が多くなる。これにより、像転写光学系３０において変調レーザ光Ｌ２が転送される際、波長変換部２０の非線形光学結晶への入射角が大きい成分の割合が増加してしまう。

すなわち、波長変換時に許容される入射角を超える成分が多くなり、これらの成分が波長変換に寄与しなくなるため、波長変換効率が低下すると考えられる。このように、生成パターンが複雑になると、非線形光学結晶の許容角による制限のために波長変換効率が低下してしまう場合がある。このような課題を解決するには、例えば、波長変換効率がある一定値以下となることが見込まれるような位相変調を制限するような制御プログラムを併用するとよい。また、例えば、所定の位相変調を与えた状態で、波長変換効率が最大となるような非線形光学結晶の角度調整を行うことで、効率低下の軽減も図ることができる。

また、本実施形態では、フレネルレンズ状の位相変調を施すことによって、紫外レーザＬ３の集光位置（結像位置）を光軸方向に任意の距離だけシフトすることができる。このような結像位置の制御は、例えば、３次元多点同時加工を行う際に望まれる機能である。図８は、フレネルレンズ状の位相パターンの例を示す図である。また、図９は、焦点距離が１２ｍであるフレネルレンズの位相パターンを用いて位相変調を行った場合における、スポット観察像を示す図である。なお、図９において、グラフＧ１１は横軸方向の光強度分布を示しており、グラフＧ１２は縦軸方向の光強度分布を示している。また、このスポット観察像は、位相変調を行わないときの結像位置から集光レンズ側に２２ｍｍ移動した位置に設置されたビームプロファイラにおける観察像である。図９に示されるように、フレネルレンズ状の位相パターンを用いて位相変調を行うことによって、結像位置が光軸方向に変化していることが確認された。

また、図１０は、ＢＢＯ結晶における変調レーザ光Ｌ２（波長５１５ｎｍ）から紫外レーザ光Ｌ３（波長２５８ｎｍ）への波長変換効率と、フレネルレンズ状の位相パターンの焦点距離との関係をプロットしたグラフである。図１０において、横軸は焦点距離（単位：メートル）を表しており、縦軸は波長変換効率（単位：％）を表している。図１０に示されるように、焦点距離が１０ｍ以上である場合には、十分な波長変換効率が得られていることがわかる。したがって、本構成において、フレネルレンズ状の位相パターンを用いる場合、焦点距離は１０ｍ以上であることが好ましい。ただし、この好適な焦点距離の範囲は、構築した光学系によって変化することはいうまでもない。

なお、非線形光学結晶における高調波変換では、光軸に対して垂直な面内において、許容角が大きい軸方向と、許容角が小さい軸方向とが存在する。したがって、許容角が大きい軸方向のみについて位相変調を行うことにより、波長変換効率を低下させることなく、大きな位相変調を与えることができる。このような一つの軸方向のみについて位相変調を行う位相パターンの例として、シリンドリカルレンズや一次元回折格子がある。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、シリンドリカルレンズ状の位相パターンの例を示す図である。また、図１２は、一次元回折格子状の位相パターンの例を示す図である。シリンドリカルレンズ状の位相パターンを用いると、紫外レーザ光Ｌ３の光軸方向に垂直な断面の形状が、一つの軸方向に伸長した直線状となる。したがって、大面積の加工対象面に対する一括加工を効果的に行うことができる。また、一次元回折格子状の位相パターンを用いると、紫外レーザ光Ｌ３の光軸を複数に分岐することができるので、多点同時加工などの用途に好適である。このように、一つの軸方向のみの位相変調を行う場合であっても、種々の加工用途に有効な紫外レーザ光Ｌ３を生成することができる。

図１３は、焦点距離が８ｍであるシリンドリカルレンズの位相パターンを用いて位相変調を行った場合における観察像を示す図である。なお、図１３において、グラフＧ２１は横軸方向の光強度分布を示しており、グラフＧ２２は縦軸方向の光強度分布を示している。また、この観察像は、位相変調を行わないときにビーム径が５０μｍとなる位置に設置されたビームプロファイラにおける観察像である。図１３に示されるように、シリンドリカルレンズ状の位相パターンを用いて位相変調を行うことによって、直線状の断面形状を有する紫外レーザ光Ｌ３を好適に形成できることが確認された。なお、図１３の横方向に対応する方向に曲率を有するシリンドリカルレンズ状の位相パターンを反射型ＳＬＭ１４に更に書き込んだところ、観測されたプロファイルの縦方向のビーム幅は５０μｍのままであったのに対し、横方向のビーム幅は６００μｍに伸長した。

図１４は、格子間隔が２００μｍである二値回折格子の位相パターンを用いて位相変調を行った場合における観察像を示す図である。この観察像は、図３に示された結像面４６設置されたビームプロファイラにおいて観察された像である。図１４に示されるように、回折により１次回折光に対応した２つのスポットＰ１及びＰ２が出現した。これらのスポットＰ１及びＰ２は、０次の位置Ｐ０から１．３ｍｍ程度横方向にシフトした位置で観測された。

（変形例）
図１５は、上記実施形態の像転写光学系３０の変形例として、像転写光学系３３の構成を示す図である。この像転写光学系３３は、単一のレンズ３４を含んで構成されており、この単一のレンズ３４によって、空間光変調部１０の位相変調面１０ａと波長変換部２０の光入射面（波長変換面）２０ａとが、互いに光学的に共役な系となるように結合されている。具体的には、レンズ３４の焦点距離ｆ、位相変調面１０ａとレンズ３４との距離ｆ１、及びレンズ３４と波長変換面２０ａとの距離ｆ２が、以下の関係式（１）を満たすように設定されている。

光変調装置１Ｂは、図３に示された像転写光学系３０に代えて、図１５に示された像転写光学系３３を備えても良い。この場合であっても、上記実施形態の効果を好適に得ることができる。

（第２の実施の形態）
図１６は、本発明の第２実施形態に係る光変調装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態の光変調装置１Ｃは、第１実施形態の光変調装置１Ａと同様に、空間光変調部１０と、波長変換部２０と、像転写光学系３０とを備えている。この光変調装置１Ｃにおいて光変調装置１Ａと異なる点は、波長変換部２０を構成する非線形光学結晶が、空間光変調部１０から出力された変調レーザ光Ｌ２とは別の光束Ｌ４を変調レーザ光Ｌ２とともに光入射面に受け、変調レーザ光Ｌ２と光束Ｌ４との和周波または差周波を発生することにより紫外レーザ光Ｌ３を生成する点である。このような構成によって、変換後に利用可能な波長の数を増やすとともに、波長変換効率の低下を効果的に回避することができる。

光束Ｌ４は、空間光変調部１０に入力される前のレーザ光Ｌ１からその一部が分波された光であることが好ましい。これにより、変調レーザ光ｌ２と光束Ｌ４とを完全に同期させて、超短パルスの紫外レーザ光Ｌ３を好適に生成することも可能となる。なお、光束Ｌ４は、空間光変調部１０において変換途中の光であってもよい。また、空間光変調部１０に入力される前のレーザ光Ｌ１を、光束Ｌ４として好適な状態に変換した後に利用してもよい。

図１７は、上述した光変調装置１Ｃの具体例としての光変調装置１Ｄを示す図である。図１７に示される光変調装置１Ｄは、図２に示された空間光変調部１０、波長変換部２０、像転写光学系３０、光源４１、ビームエキスパンダ４２、及びアッテネータ４３に加えて、ビームスプリッタ５１、反射ミラー５２ａ〜５２ｄ、ビームエキスパンダ５４、アッテネータ５５（波長板５５ａ及び偏光ビームスプリッタ５５ｂ）、可変光学遅延系５６、並びにλ／２板５７を備えている。

ビームスプリッタ５１は、光源４１の超短パルスレーザ光源４１ａとＳＨＧ変換ユニット４１ｂとの間に配置され、超短パルスレーザ光源４１ａから出力されたレーザ光Ｌ０の一部を分岐する。なお、レーザ光Ｌ０の波長は例えば１０３０ｎｍである。ビームスプリッタ５１によって分岐された一方のレーザ光Ｌ０は、ビームエキスパンダ５４及びアッテネータ５５によって最適なビームプロファイル及び光強度に調整され、可変光学遅延系５６を通ったのちλ／２板５７によって適切な偏光に調整され、反射ミラー５２ｄを経て波長変換部２０の非線形光学結晶に光束Ｌ４として入射する。非線形光学結晶では、例えば非同軸の和周波発生を利用した波長３４３ｎｍの紫外レーザ光Ｌ３が生成される。

ここで、波長変換部２０における波長変換を好適に行うためには、変調レーザ光Ｌ２を構成する光パルスと光束Ｌ４を構成する光パルスとが、波長変換部２０の非線形光学結晶上で、十分重なり合う程度に、両光路間の光路長を同一にする必要がある。本実施形態では、超短パルスを用いているため、光路長を同一にする調整を精密に行う必要があるが、このために、可変光学遅延系５６を利用している。なお、可変光学遅延系５６は、該可変光学遅延系５６が設けられていない状態において光路長が短い方の光路に挿入されることが好適であるため、レーザ光Ｌ１もしくは変調レーザ光Ｌ２の光路中に挿入された形態も可能である。

図１７は、上述した光変調装置１Ｃの一例を示すものであるため、これ以外の構成も可能であることはいうまでもない。例えば、レーザ光Ｌ１を波長１０３０ｎｍ、光束Ｌ４を波長５１５ｎｍの光とする構成も可能である。また、レーザ光Ｌ１を波長５１５ｎｍとした構成において、光束Ｌ４として波長５１５ｎｍのレーザ光Ｌ１の一部を利用した場合には、和周波発生によって波長２５８ｎｍの紫外レーザ光Ｌ３が生成される。

本実施形態の光変調装置１Ｃ，１Ｄによれば、上述した第１実施形態の光変調装置１Ａ，１Ｂと同様の効果を奏することができる。また、本実施形態によれば、非線形光学結晶に入射する紫外レーザ光Ｌ３及び光束Ｌ４のうち、一方の許容角を大きくすることが可能となる。

本発明による波長変換型空間光変調装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では空間光変調部としてＬＣＯＳ型のものを例示したが、本発明の空間光変調部はこれに限られない。例えば、空間光変調部としては、表面形状を複数の画素領域毎に変化させ得るセグメントタイプのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いることもできる。ＭＥＭＳミラーでは、各セグメントの凹凸により形成される表面形状が、レーザ光の波面を変調するための位相パターンとなる。また、空間光変調部として、デフォーマブルミラーが用いられてもよい。デフォーマブルミラーでは、その表面形状が位相パターンとなる。いずれの場合も、空間光変調部単体を用いて変調可能な波長域よりも、短い波長の変調光を得ることができる特徴を有している。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…光変調装置、１０…空間光変調部、１０ａ…位相変調面、１１…ＳＬＭモジュール、１２…筐体、１３…プリズム、１４…反射型ＳＬＭ、２０…波長変換部、２０ａ…光入射面（波長変換面）、３０…像転写光学系、３１，３２…レンズ、３３…像転写光学系、３４…レンズ、４１…光源、４１ａ…超短パルスレーザ光源、４１ｂ…変換ユニット、４２…ビームエキスパンダ、４３…アッテネータ、４４…集光レンズ、４５…加工ステージ、４６…結像面、５１…ビームスプリッタ、５４…ビームエキスパンダ、５５…アッテネータ、５６…可変光学遅延系、５７…λ／２板、Ａ…加工対象物、Ｌ１…レーザ光、Ｌ２…変調レーザ光、Ｌ３…紫外レーザ光。

Claims (8)

1. 紫外域よりも長い波長域のレーザ光を入力し、二次元配列された複数の領域毎に前記レーザ光の位相を変調して変調レーザ光を生成する位相変調面を有する空間光変調部と、
   前記空間光変調部から出力された前記変調レーザ光を受ける光入射面を有し、前記変調レーザ光の波長を紫外域の波長に変換する波長変換部と、
   前記空間光変調部の前記位相変調面と前記波長変換部の前記光入射面とを、互いに光学的に共役な系となるように結合する像転写光学系と
   を備えることを特徴とする、波長変換型空間光変調装置。
2. 前記空間光変調部が、
   印加電界の大きさに応じて前記レーザ光の位相を変調する液晶層と、
   前記液晶層の両側に配置された配向膜と、
   前記複数の領域毎に設けられ、前記印加電界を発生させる電圧を前記液晶層に印加する複数の電極と
   を有することを特徴とする、請求項１に記載の波長変換型空間光変調装置。
3. 前記波長変換部が非線形光学結晶を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の波長変換型空間光変調装置。
4. 前記非線形光学結晶が、前記変調レーザ光の高調波を発生することにより前記変調レーザ光の波長を紫外域の波長に変換することを特徴とする、請求項３に記載の波長変換型空間光変調装置。
5. 前記波長変換部が、前記空間光変調部から出力された前記変調レーザ光とは別の光束を前記変調レーザ光とともに前記光入射面に受け、前記変調レーザ光と前記光束とを用いて前記変調レーザ光の波長を紫外域の波長に変換することを特徴とする、請求項１に記載の波長変換型空間光変調装置。
6. 前記波長変換部が非線形光学結晶を含み、前記変調レーザ光と前記光束との和周波または差周波を発生することにより前記変調レーザ光の波長を紫外域の波長に変換することを特徴とする、請求項５に記載の波長変換型空間光変調装置。
7. 前記光束が、前記空間光変調部に入力される前の前記レーザ光から分波された光であることを特徴とする、請求項５または６に記載の波長変換型空間光変調装置。
8. 前記像転写光学系が４ｆ光学系を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長変換型空間光変調装置。