JPH11281473A - Ｍ２測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルスレーザのＭ²値を測定可能で光軸の調
整が容易なＭ²測定装置を提供する。 【解決手段】 被測定光源２０のレーザを集光する集光
レンズ１と、これをビームの光軸方向に移動させる一軸
ステージ２と、ビーム集光位置４より後方に配置される
対物レンズ３と、その後ろ側焦点面５より後方に配置さ
れ、光を２方向に分岐するハーフミラー１２と、分岐さ
れた一方の光軸上に配置され、後ろ側焦点面５の光像を
結像するリレーレンズ７と、その結像画像を撮像する撮
像素子８と、分岐された他方の光軸上に配置され、集光
位置４のビーム像を拡大投影する拡大レンズ６と、その
投影画像を撮像する撮像素子１１と、撮像素子８の撮像
画像からビームの拡がり角度を検出し、集光レンズ１を
移動させながら撮像素子１１の撮像画像からビームウェ
スト径を求め、これらを基にＭ²値を算出する制御処理
部と、を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームの品
質を表すパラメータであるＭ²値を測定するＭ²測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームの品質を表すパラメータと
してＭ²値がある。これは、レーザビームの強度分布の
理想的なガウス分布からのずれを表すパラメータであ
り、レーザ光源のスペックの一つとして表示が求められ
るようになってきている。

【０００３】このＭ²値を測定する装置としては、コヒ
ーレント社のモードマスタやキノ・メレスグリオ社のウ
ェーブアライザーがある。

【０００４】このうち、モードマスタは、図２に示され
るように、被測定レーザ光の光軸上に光軸方向に移動可
能なレンズ１０１、１０２と、ナイフエッジ１０３を有
し、モーター１０５によりこの光軸に直交する軸を中心
として回転するドラム１０４と、光検出器１０６とを配
置して構成されている。

【０００５】そして、レンズ１０１と１０２を光軸方向
に移動させ、被測定レーザ光の集光位置をずらしつつ、
モータ１０５によりドラム１０４を回転させ、集光位置
にナイフエッジ１０３を通過させる。こうして光検出器
１０６により被測定レーザ光の二次元強度分布であるプ
ロファイルを求め、さらにこのプロファイルからＭ²値
を求めている。

【０００６】一方、ウェーブアライザーは、図３に示さ
れるように、シェアリング干渉計を応用したものであ
り、シェアプレート１１０と、ミラー１１１ａ、ｂと２
台の干渉縞撮影用のＣＣＤカメラ１１２ａ、ｂと、駆動
機構１１３を備え、電源１１４と、コンピュータ１１５
に接続されている。

【０００７】そして、シェアプレート１１０を回転させ
て被測定レーザ光に対して１波長の光路差スキャンニン
グをつくりだし、ＣＣＤカメラ１１２ａ、ｂを操作して
光路差１／４波長の４つの連続的なフリンジイメージを
撮像する。これらのフリンジイメージを基にして被測定
光のビームの強度分布、波面形状等をコンピュータ１１
５により解析し、Ｍ²値を求めている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記いずれの装置も回
転部分を含むため、被測定レーザ光との光軸の調整が難
しい。また、モードマスタは、レーザビーム内の強度分
布を走査して求めており、一方、ウェーブアライザー
は、干渉を利用しているため、どちらの装置を用いた場
合でもリアルタイムでビームの特性を測定することはで
きない。特に、いずれの装置でも時間分解を必要とする
から、パルスレーザの特性を測定することは不可能であ
り、Ｍ²値を測定することができない。

【０００９】そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み
て、パルスレーザのＭ²値を測定可能で光軸の調整が容
易なＭ²測定装置を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のＭ²測定装置は、(1)測定対象レーザビーム
の光軸上にこの光軸に沿って移動可能に配置され、レー
ザビームを集光する無収差の集光レンズと、(2)この集
光レンズをレーザビームの光軸に沿って移動させるレン
ズ駆動手段と、(3)集光レンズの後ろ側焦点面より後方
に配置され、入射光を集光する対物レンズと、(4)対物
レンズの後ろ側焦点面より後方に配置され、入射光を第
１と第２の方向に分岐して出射する光分岐手段と、(5)
第１の方向の光軸上に配置され、対物レンズの後ろ側焦
点面の光像を拡大あるいは縮小若しくは等倍で結像面に
結像するリレーレンズと、(6)リレーレンズの結像面に
配置され、結像画像を撮像する第１の撮像素子と、(7)
第２の方向の光軸上に配置され、集光レンズにより集光
されたビーム像を拡大して投影する拡大結像レンズと、
(8)拡大結像レンズの結像面に配置され、結像画像を撮
像する第２の撮像素子と、(9)第１の撮像素子で撮像し
た画像を基にしてビームの拡がり角度を検出するととも
に、レンズ駆動手段を制御して集光レンズを移動させな
がら第２の撮像素子で撮像した画像を基にしてそれぞれ
の位置におけるビーム径を測定することで最小ビーム径
となるビームウェスト位置のビーム径を求め、これを基
にしてＭ²値を算出する制御処理部と、を備えているこ
とを特徴とする。

【００１１】これによれば、被測定レーザビームは、集
光レンズで集光されて、特定の位置にスポットを形成し
たうえ、このビームはさらに拡散して対物レンズに入射
する。対物レンズに入射したビームは、再度集束されて
後方へ出射され、その後ろ側焦点面に集光レンズの出射
光角に対応した角強度分布像を形成する。この角強度分
布像を含むビームは、さらに光分岐手段に送られて２方
向に分割される。このうち第１の方向には、リレーレン
ズが配置され、上述の対物レンズ後ろ側焦点面に形成さ
れた角強度分布像と同一の像が第１の撮像素子の入射面
に投影され、撮像される。一方、第２の方向には、拡大
結像レンズが配置されており、対物レンズの前方で集光
レンズにより集光されたスポット像を拡大して第２の撮
像素子の入射面に投影している。

【００１２】ここで、集光レンズを光軸方向に移動させ
ると、集光位置が移動し、そのスポット径も変化する。
このうち最小のスポット径がビームウェスト径である。
これを第２の撮像素子の撮像データから求める。一方、
第１の撮像素子には、対物レンズへの入射角度、つまり
ビーム拡がり角度に応じた角強度分布像が投影されてい
るから、ビーム拡がり角度を求めることができる。制御
処理部は、このビーム拡がり角度とビームウェスト径か
らＭ²値を求める。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面を参照して説明する。

【００１４】図１は、本発明に係るＭ²測定装置の全体
構造を示す概略構成図である。レーザ光源２０から照射
される被測定光であるレーザビームの光路上に、無収差
の集光レンズ１が配置されており、この集光レンズ１
は、一軸ステージ２により、レーザビームの光軸に沿っ
て移動可能である。この集光レンズ１によるレーザビー
ムの集光位置４より後方に対物レンズ３が配置されてお
り、その後ろ側焦点面５より後方に入射光を２方向の光
路に分岐して出力するハーフミラー１２が配置されてい
る。

【００１５】ハーフミラー１２により分岐された光路の
うち一方には、リレーレンズ７が配置されており、この
リレーレンズ７の結像面には、拡がり角計測用の二次元
画像の撮像素子８が配置されている。

【００１６】ハーフミラー１２により分岐された他方の
光路には、拡大結像レンズ６が配置されており、その結
像面には集光径計測用の二次元画像の撮像素子１１が配
置されている。各撮像素子８、１１で撮像した画像信号
は、信号処理部１０に送られ、処理される。信号処理部
１０はまた、ステージ駆動装置９を制御して、一軸ステ
ージ２を駆動する。

【００１７】続いて、本装置の動作を説明する。一軸ス
テージ２を駆動させて集光レンズ１を所定の位置に配置
する。レーザ光源２０から発せられたレーザビームは集
光レンズ１により集光されて、ある特定の集光位置４で
集光されたあと、再び拡散して対物レンズ３に入射す
る。対物レンズ３は、この拡散光束の拡がり角度に対応
する像を後ろ側焦点面５に結像する。

【００１８】この光はさらにハーフミラー１２により２
方向に分岐される。分岐された光のうち一方はリレーレ
ンズ７に導かれ、撮像素子８の受光面上に対物レンズ３
の後ろ側焦点面に結像された像と同じ像を結像する。こ
れにより、ビームの拡がり角度に対応した画像が撮像さ
れることになる。この画像の大きさとビームの拡がり角
度の対応は、対物レンズの光学系により決まるものであ
り、予めその対応を求めておけば、簡単にビームの拡が
り角を求めることができる。

【００１９】また、ハーフミラー１２により分岐された
他方の光は、拡大結像レンズ６に導かれる。拡大結像レ
ンズ６は、対物レンズ３と組み合わせることにより集光
位置４のスポットの像を拡大して撮像素子１１の受光面
上に投影している。したがって、撮像素子１１では、集
光位置４のスポット像に対応する画像が撮像される。

【００２０】ステージ駆動装置９により一軸ステージ２
を制御して集光レンズ１を光軸方向に移動させると、集
光位置４が変化する。これに伴い、集光位置４における
スポット径も変化する。しかし、対物レンズ３の後ろ側
焦点面５に結像される像の大きさは変化しない。このた
め、撮像素子８で撮像される画像の大きさは一定とな
る。一方、撮像素子１１で撮像される画像の大きさはス
ポット径の変化に応じて変化する。集光位置４がビーム
ウェスト位置に合致したとき、スポット径は最小とな
る。逆に集光位置４をずらしていったときに観測される
最小スポット径がビームウェスト位置のスポット径であ
るビームウェスト径である。こうしてビームウェスト径
を求めることができる。

【００２１】信号処理部１０は、このようにしてビーム
ウェスト径とビーム拡がり角度を求め、これらの値を基
にして、次式によりＭ²値を求める。

【００２２】

【数１】 ここで、Θはビーム拡がり角度、ｗ₀が求めたビームウ
ェスト直径、λが被測定レーザ光の波長である。

【００２３】このように、本発明によれば、ほぼリアル
タイムでビームの特性値を測定することができるので、
被測定レーザ光がパルスレーザの場合でも同様の手法で
Ｍ²値を測定することができる。

【００２４】また、本装置とレーザ光源の光軸が合って
いない場合、レーザ光の光軸が装置の光軸からシフトし
ている場合は、撮像素子１１への入射光がシフトする。
一方、角度がずれている場合は、撮像素子８への入射光
がシフトする。したがって、撮像素子８、１１の出力画
像を基にして簡単に光軸を調整することができる。本装
置は、回転部分を含まないため、集光レンズ１を動かす
前に一度光軸を調整すれば測定中に光軸調整を行う必要
はない。

【００２５】さらに、撮像素子１１には、集光位置４に
おけるビームの像が拡大投影されるから、ビームの強度
分布もあわせて確認することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
ビームウェスト径とビーム拡がり角度を同時に計測でき
るので、迅速かつ容易にＭ²値を求めることができる。
特に、パルスレーザ光についても測定が可能である。ま
た、光軸のずれを容易に確認できるので光軸調整も容易
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＭ²測定装置を示す全体概略図であ
る。

【図２】従来のＭ²測定装置を示す概略図である。

【図３】従来の別のＭ²測定装置を示す概略図である。

【符号の説明】

１…集光レンズ、２…一軸ステージ、３…対物レンズ、
４…集光位置、５…後ろ側焦点面、６…拡大結像レン
ズ、７…リレーレンズ、８、１１…撮像素子、９…ステ
ージ駆動装置、１０…信号処理部、１２…ハーフミラ
ー、２０…レーザ光源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームの品質を表すパラメータで
   あるＭ²値を測定するＭ²測定装置であって、 測定対象レーザビームの光軸上にこの光軸に沿って移動
   可能に配置され、前記レーザビームを集光する無収差の
   集光レンズと、 前記集光レンズを前記レーザビームの光軸に沿って移動
   させるレンズ駆動手段と、 前記集光レンズの後ろ側焦点面より後方に配置され、入
   射光を集光する対物レンズと、 前記対物レンズの後ろ側焦点面より後方に配置され、入
   射光を第１と第２の方向に分岐して出射する光分岐手段
   と、 前記第１の方向の光軸上に配置され、前記対物レンズの
   後ろ側焦点面の光像を拡大あるいは縮小若しくは等倍で
   結像面に結像するリレーレンズと、 前記リレーレンズの結像面に配置され、結像画像を撮像
   する第１の撮像素子と、 前記第２の方向の光軸上に配置され、前記集光レンズに
   より集光されたビーム像を拡大して投影する拡大結像レ
   ンズと、 前記拡大結像レンズの結像面に配置され、結像画像を撮
   像する第２の撮像素子と、 第１の撮像素子で撮像した画像を基にしてビームの拡が
   り角度を検出するとともに、前記レンズ駆動手段を制御
   して前記集光レンズを移動させながら前記第２の撮像素
   子で撮像した画像を基にしてそれぞれの位置におけるビ
   ーム径を測定することで最小ビーム径となるビームウェ
   スト位置のビーム径を求め、これを基にしてＭ²値を算
   出する制御演算処理部と、 を備えていることを特徴とするＭ²測定装置。