JP6709588B2

JP6709588B2 - レーザー光源装置及び干渉計

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Publication number: JP6709588B2
Application number: JP2015126634A
Authority: JP
Inventors: 達俊塩田
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2035-06-24
Also published as: JP2017011163A

Description

本発明は、レーザー光源装置及び干渉計に関する。

従来、広帯域光と当該広帯域光から生成したコム光とを用いて干渉計を構成していた（例えば、特許文献１参照）。コム光を生成する手法としては、例えば、短パルスレーザー光源から出力された光そのものをコム光として用いる手法と、短パルスレーザー光源から出力された光を変調してコム光を生成する手法とがある。いずれの手法においても、コム光の周波数間隔は、短パルスレーザー光源から出力された光における周波数ピークの間隔に等しい。つまり、コム光の周波数間隔は固定されている。加えて、コム光の周波数間隔は１０ＭＨｚから数十ＧＨｚ程度であり、形状計測のための光コム干渉計に用いる光源としては周波数間隔が狭いという欠点がある。コム光干渉用のコム光を生成する他の手法として、時間に応じて周波数を増加させることにより擬似的に所定時間内にコム光を生成することも考えられる。レーザー光源から出力された光をポリゴンミラー等の反射体に照射して、当該反射体から反射された光を回折格子に入射して、当該回折格子からの回折光を所定の位置から取り出す。このとき、反射体を時間に応じて回転させることにより、所定の位置から取り出す反射光の周波数を時間的に走査することが考えられる。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１５−５２５８５号公報

しかしながら、反射体を回転させる手法では、撮像素子の１フレーム時間内（例えば、数μｓｅｃから数十μｓｅｃの範囲以内）に、反射体を機械的に回転させる必要がある。機械的な回転の動作時間には限界があるので、撮像素子の１フレーム時間内で周波数を走査することは困難であった。

本発明の第１の態様においては、入射する光の一部を出射する分光素子と、設定される偏向角度で光を出射する偏向器と、離散した複数の周波数成分を通過させるフィルタとを備え、分光素子、偏向器及びフィルタは、共振経路に設けられている、レーザー光源装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、入射する光の一部を出射する分光素子と、入力される制御信号に応じて屈折率が変化する光路を有し、屈折率に応じた偏向角度で光を出射する偏向器と、偏向器における偏向角度を、離散的な偏向角度に順次設定する制御信号を生成する制御部とを備え、分光素子及び偏向器は、共振経路に設けられているレーザー光源装置を提供する。

本発明の第３の態様においては、第１の態様または第２の態様に記載のレーザー光源装置と、レーザー光源装置から出射された光の一部を被測定対象へ透過させて、かつ、被測定対象から反射された光とレーザー光源装置から出射された光の他の一部とを合波するスプリッターと、スプリッターで合波された光を受光する光検出器とを備える干渉計を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。また、コリメートレンズ、ＰＣＶレンズ（平凸レンズ）及びＰＣＸレンズ（平凹レンズ）等の記載を省略しているが、当業者であればこれらのレンズ等を適宜組み合わせてよい。

第１実施形態におけるレーザー光源システム１５０を示す図である。偏向器５０の例を示す図である。回折格子６０のリトロー配置の例を示す図である。周波数を時間的に掃引する様子を示す図である。回折格子６０及び反射部６２のリットマン配置の例を示す図である。回折格子６０及び反射部６２のリットマン配置の他の例を示す図である。フィルタ３０としての光共振器３２の例を示す図である。フィルタ３０としての光共振器３２の他の例を示す図である。光路長調整器２０及び偏向器５０を一体形成する例を示す図である。第２実施形態におけるレーザー光源システム１５２を示す図である。第３実施形態におけるレーザー光源システム１５４を示す図である。第４実施形態におけるレーザー光源システム１５６を示す図である。第５実施形態におけるレーザー光源システム１５８を示す図である。回折格子６０及び反射部６２のリットマン配置の例を示す図である。第６実施形態におけるレーザー光源システム１６０を示す図である。第７実施形態におけるレーザー光源システム１６２を示す図である。ＶＩＰＡ７５、偏向器５０及び反射鏡１６を示す図である。第８実施形態におけるレーザー光源システム１６４を示す図である。第９実施形態におけるレーザー光源システム１６６を示す図である。第１０実施形態におけるレーザー光源システム１６８を示す図である。第１１実施形態におけるレーザー光源システム１７０を示す図である。第１２実施形態におけるレーザー光源システム１７２を示す図である。第１３実施形態におけるレーザー光源システム１７４を示す図である。ＳＳ干渉計システム２５０を示す図である。シングルショット干渉計システム３５０を示す図である。干渉部３２０の構成を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、第１実施形態におけるレーザー光源システム１５０を示す図である。レーザー光源システム１５０は、レーザー光源装置１００と、制御部９０と、周波数走査マイクロ波信号発生器８０と、ドライバ２５と、注入電流源１５とを備える。制御部９０は、制御信号を生成して周波数走査マイクロ波信号発生器８０の動作を制御する。制御部９０は、汎用コンピューターであってよい。周波数走査マイクロ波信号発生器８０は、当該制御信号を受けてレーザー光源装置１００の偏向器５０の動作を制御する。

本例のレーザー光源システム１５０は、注入電流源１５とドライバ２５とを更に備える。注入電流源１５は、制御部９０からの制御信号を受けてレーザー光源装置１００の光増幅媒質１０に電流を注入する。ドライバ２５は、制御部９０からの制御信号を受けてレーザー光源装置１００の光路長調整器２０に電圧を印加する。

レーザー光源装置１００は、反射鏡１２と、光増幅媒質１０と、光路長調整器２０と、フィルタ３０と、偏向器５０と、分光素子としての回折格子６０とを有する。本例のレーザー光源装置１００は、反射鏡１２を第１端７２とし回折格子６０を第２端７４とする共振経路７０を有する。レーザー光源装置１００は、共振経路７０において共振された光の一部を回折格子６０からレーザー光として外部に出力する。

光増幅媒質１０、光路長調整器２０、フィルタ３０、偏向器５０及び回折格子６０は、共振経路７０に設けられる。光増幅媒質１０、光路長調整器２０及びフィルタ３０の配置は図１の順番に限定されず、任意の順番に並び替えてよい。光路長調整器２０またはフィルタ３０が最も反射鏡１２側に設けられてよく、光増幅媒質１０または光路長調整器２０がフィルタ３０と偏向器５０との間に設けられてもよい。

光増幅媒質１０は、レーザー光源の発振波長に対応する光を増幅する。光増幅媒質１０は、注入電流源１５から注入された電流によって光を増幅する機能を有する。本例の光増幅媒質１０は半導体光増幅器（ＳＯＡ）である。

光路長調整器２０は、共振経路７０の光路長を調整する。本例において、光路長調整器２０は、共振経路７０の長さを調整することにより、共振経路７０内で生じるモードホップ光を除去する機能を有してよい。光路長調整器２０は、ドライバ２５から印加された直流電流により屈折率が変化する電気光学結晶であってよい。電気光学結晶の屈折率が一様に変化することで、内部を通過する光の光路長が変化する。電気光学結晶は、ニオブ酸リチウム等であってよい。なお、制御部９０は、偏向器５０における偏向角度の変化に同期して、光路長調整器２０における光路長を制御してもよい。

本例のフィルタ３０は、偏向器５０と反射鏡１２との間に設けられる。本例のフィルタ３０は、周波数軸上において離散した複数の周波数成分を通過させる。具体的には、フィルタ３０は、共振条件に適った複数の周波数成分の光（周波数ピークの間隔が一定間隔（ＦＳＲ）である光）を選択的に通過させる機能を有する。また、フィルタ３０は、共振条件に適った周波数成分の強度を高くする機能も有する。フィルタ３０は、図７で述べるようにエタロンであってよい。なお、フィルタ３０は、図８で述べるように共振長が可変であるアクチュエータであってもよい。

偏向器５０は、周波数走査マイクロ波信号発生器８０からの制御信号により設定される偏向角度で、回折格子６０に光を出射する。偏向器５０は、入射した光を偏向させる機能を有する。偏向器５０は、機械的な可動部分を有さない。偏向器５０は、振動または電気信号により内部の屈折率を変化させることにより、入射した光を偏向させてよい。本例の偏向器５０は、図２で示す様に単体の音響光学偏向器（ＡＯ偏向器）であるが、偏向器５０は図９で述べるように光路長調整器２０と一体形成されてもよい。

回折格子６０は、共振経路７０において、入射する光の一部をレーザー光として外部に放出し、他の一部の光を共振経路７０に戻す。本例の回折格子６０は、図３に示す様にリトロー配置であるが、図５及び図６に示す様にリットマン配置としてもよい。

本例では、回折格子６０が共振経路７０の第２端７４である例を示した。しかし、他の例においては、回折格子６０は共振経路７０の端部とならなくてもよい。例えば、偏向器５０と回折格子６０との位置を入れ替えてもよい。この場合、第２端７４として反射鏡を更に設ける。具体的には、偏向器５０を回折格子６０と反射鏡との間に設ける。この場合に、共振経路７０内の任意の位置に設けたアウトプットカプラからレーザー光を引き出すことができる。アウトプットカプラについては、後述の図１１の説明も参考にされたい。

図２は、偏向器５０の例を示す図である。本例の偏向器５０は、音響光学偏向器である。偏向器５０は光学媒体５２と振動子５４とを有する。一例であるが、光学媒体５２は酸化テルル（ＴｅＯ_２）であってよい。制御部９０から周波数走査マイクロ波信号発生器８０を通じて入力される制御信号に応じて、振動子５４は光学媒体５２内に音響種周波数を発生させる。例えば、振動子５４は、制御信号の大きさに比例する大きさの音響周波数を光学媒体５２内に発生させる。

光学媒体５２内に音響周波数が発生すると、光学媒体５２内の屈折率が周期的に変化する。この屈折率の周期的な変化は、光学媒体５２を通過する光に対して回折格子として機能する。光学媒体５２の屈折率が変化した光路を通過した光は、屈折率に応じた偏向角度で出射される。光学媒体５２を通過する光は、０次回折光（図２中に破線→で示す方向）に対して偏向角度θだけ偏向した１次回折光として出射される。

偏向器５０は、光学媒体５２の音響周波数を変化させて、偏向角度θを順次変化させてよい。これにより、共振条件を満たす周波数が変化するので、レーザー光として出力される周波数も変化する。

図３は、回折格子６０のリトロー配置の例を示す図である。なお、図３では、光増幅媒質１０と回折格子６０との間の構成は省略する。本例の回折格子６０は、共振経路７０の第２端７４としても機能する。回折格子６０は、共振経路７０において入射する光の一部を０次回折光として外部に放出し、他の一部の光を−１次回折光として共振経路７０に戻す。

本例では、偏向角度θを離散的に変化させることにより、回折格子６０における０次回折光及び−１次回折光の条件を満たす光の波長（周波数）が離散的に変化する。これにより、出力レーザー光の周波数を離散的に変化させることができる。なお、他の例においては、レーザー光源装置１００から出射されるレーザー光の周波数を時間に対して連続的に変化させてもよい。

図４は、周波数を時間的に掃引する様子を示す図である。左右の縦軸は周波数を示し、横軸は時間を示す。縦軸の周波数のスケールは、光源として必要な周波数帯域に応じて任意に定めてよく、干渉計に用いる場合に１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下の範囲であってよい。

本例では、出力レーザー光の周波数を時間に対して離散的に増加させる。特に、図４の縦軸方向において隣り合う周波数の間隔は周波数ｆ_ｒｅｐで一定でとする。一例に過ぎないが、ｆ_ｒｅｐは数百ＧＨｚであってよい。本例では、時刻ｔ_１からｔ_２まで出力レーザー光の周波数をｆ_１とし、時刻ｔ_２からｔ_３まで出力レーザー光の周波数をｆ_２とし、以降同様に一定期間ごとに徐々に周波数を増加させて、時刻ｔ_ｎから時刻ｔ_ｎ＋１まで出力レーザー光の周波数をｆ_ｎとする（ｎは任意の自然数である）。これにより、出力レーザー光の周波数をｆ_１からｆ_ｎまで離散的に走査することができる。

時刻ｔ_ｎから時刻ｔ_ｎ＋１までの時間は、ナノ秒（ｎａｎｏｓｅｃ）のオーダーであってよい。時刻ｔ_１からｔ_ｎまでの期間τは、振動子５４の周波数をｆ_１からｆ_ｎまで走査する期間である。期間τは、ＣＣＤ等の撮像素子の１フレーム時間内であってよく、例えば、数μｓｅｃから数十μｓｅｃの時間である。このように、本例のレーザー光源装置１００は、撮像素子の１フレーム時間内に擬似的にコム光を発生することができる。なお、周波数をｆ_１からｆ_ｎまで連続的に走査する場合には、離散的に走査する場合と比較して周波数走査の時間を短くすることができるので、より好適である。

期間τの整数倍を撮像素子の１フレーム時間と等しくしてもよい。この場合、撮像素子の１フレーム時間内に周波数ｆ_１からｆ_ｎまで何度も掃引することができる。これにより、レーザー光源装置１００を干渉計の光源として用いる場合に、撮像素子の１フレーム時間内において複数回の干渉像を生成することができる。

上述の様に、周波数ｆ_ｒｅｐは、数百ＧＨｚであってよい。通常のコム光の周波数ピークの間隔ｆ_ｒｅｐはＧＨｚのオーダーであるが、本例では擬似的なコム光の間隔を数百ＧＨｚとすることができる。これにより、レーザー光源装置１００を干渉計の光源に用いた場合に、従来よりも干渉像を鮮明にすることができる。また、本例では、フィルタ３０を用いるので、周波数ｆ_ｒｅｐをＦＳＲに固定することができる。これにより、低周波側であるｆ_１から高周波側であるｆ_ｎまで周波数ｆ_ｒｅｐをＦＳＲに固定できることは、レーザー光源装置１００を干渉像形成に用いる場合に有利となる。

また、通常のコム光では、周波数帯域の一部のコム光だけを切りだして利用し、その他の帯域のコム光は利用しない。これに対して本例では、使用する周波数帯域のコム光を擬似的に生成するので、コム光を切り出すことをしない。それゆえ、従来のコム光を生成する手法と比較して、エネルギー利用効率を高くすることができる。

なお、レーザー光源の周波数帯域の幅が広いほど、干渉計の分解能は高くなる。本例では、最も低い周波数ｆ_１から最も高い周波数ｆ_ｎまでを自由に設定することができる。それゆえ、従来よりも高い分解能の干渉計を得ることができる。

図５は、回折格子６０及び反射部６２のリットマン配置の例を示す図である。本例は、図３におけるリトロー配置の代替例である。本例のレーザー光源装置１００は、回折格子６０に対向して配置された反射部６２をさらに備える。本例では、反射部６２が共振経路７０の第２端７４である。また、本例のフィルタ３０は回折格子６０と反射部６２との間に配置され、かつ、偏向器５０は光増幅媒質１０と回折格子６０との間に設けられる。

回折格子６０は、偏向器５０から入射する光の一部を０次回折光として外部に放出し、他の一部の光を−２次回折光としてフィルタ３０に戻す。つまり、偏向器５０から入射する光の−２次回折光は、共振経路７０に戻す。また、反射部６２からフィルタ３０を経て回折格子６０に入射する光の−１次回折光は、偏向器５０に入射する。以上の点が、図３のリトロー配置の例と異なる。なお、本例においても図４の例で説明した効果を得ることができる。また、本例においても光増幅媒質１０及び光路長調整器２０の配置は任意に並び替えてよい。

図６は、回折格子６０及び反射部６２のリットマン配置の他の例を示す図である。本例では、フィルタ３０及び偏向器５０は光増幅媒質１０と回折格子６０との間に配置され、かつ、偏向器５０はフィルタ３０よりも回折格子６０の側に設けられる。以上の点が、図５の例と異なる。なお、本例においても図４の例で説明した効果を得ることができる。なお、本例においても光増幅媒質１０、光路長調整器２０及びフィルタ３０の配置は任意に並び替えてよい。

図７は、フィルタ３０としての光共振器３２の例を示す図である。本例の光共振器３２は、光学結晶体３３と、光学結晶体３３の両端に設けられた半透過膜３４とを有する。光共振器３２は、半透過膜３４の間で光を共振させて、共振条件に適った周波数の光を出射する。本例の光共振器３２は、ソリッドエタロンであってよい。なお、他の例においては、２つの反射体の間にエアギャップを設けて、当該エアギャップの間で光を共振させるエアギャップエタロンであってもよい。

図８は、フィルタ３０としての光共振器３２の他の例を示す図である。本例の光共振器３２は、固定部４５と間隔調整部４８とを有するシリコンアクチュエータに設けられる。固定部４５に設けられた反射体３５‐１と、間隔調整部４８に設けられた反射体３５‐２とが、本例の光共振器３２を構成する。

反射体３５‐１は、下流の光路に反射防止膜３７‐１を有し、上流の光路に反射面３６‐１を有する。反射体３５‐２は、上流の光路に反射防止膜３７‐２を有し、下流の光路に反射面３６‐２を有する。光共振器３２は反射面３６の間で光を共振させて、図７の例と同様に、共振条件に適った周波数の光を出射する。反射面３６‐１と反射面３６‐２と間の長さは光共振器３２の共振長３８を規定する。

固定部４５は、シリコン層４１、絶縁層４２及びシリコン層４３を有する積層体であるＳＯＩ基板４０を有してよい。間隔調整部４８も同様にＳＯＩ基板４０を有してよい。本例の間隔調整部４８は、共振経路７０と平行な方向において対向する可動端４６と固定端４７とを有する。

可動端４６及び固定端４７は、図面においては明示しないが互いに対向する位置において櫛歯状のシリコン層４１をそれぞれ有してよい。この場合に、端子４９‐１を通じて可動端４６の電位を接地し、端子４９‐２を通じて固定端４７に印加する正電圧を大きくすると、可動端４６と固定端４７との間隔Ｌが増大する。これにより、共振長３８を短くすることができる。また、固定端４７に印加する正電圧を小さくすると、間隔Ｌが減少するので、共振長３８を長くすることができる。このように、本例では、間隔調整部４８を用いて共振長３８を制御することができる。

共振長３８が変化すると、光共振器３２を通過する周波数成分が変化する。これにより、光共振器３２は、通過する周波数成分を変更することができる。つまり、周波数軸上において離散した複数の周波数成分の間隔ｆ_ｒｅｐを調整することができる。なお、周波数を走査する期間τ（図４を参照）中においては、ｆ_ｒｅｐは固定である。ただし、１回目の周波数走査が完了した後、２回目の周波数走査を行うに際して、異なるｆ_ｒｅｐを採用してもよい。

図９は、光路長調整器２０及び偏向器５０を一体形成する例を示す図である。本例では、一対の電極２６と当該一対の電極２６で挟まれた光学媒体２７の領域が、光路長調整器２０として機能する。また、一対の電極５６と当該一対の電極５６で挟まれた光学媒体２７の領域が、偏向器５０として機能する。光路長調整器２０及び偏向器５０を一体形成することにより光軸合わせ等が不要になるという効果を有する。

光学媒体２７は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ３）であってよい。この場合、電極２６を白金（Ｐｔ）とし、電極５６をチタン（Ｔｉ）とすると、一対の電極２６で挟まれた光学媒体２７の領域では一様な屈折率の変調が生じ、一対の電極５６で挟まれた光学媒体２７の領域は周期的な屈折率の変調が生じる。これにより、共通の光学媒体２７を用いて光路長調整器２０及び偏向器５０を実現することができる。

図１０は、第２実施形態におけるレーザー光源システム１５２を示す図である。本例のレーザー光源装置１０２は、反射鏡１２に代えてダイクロイックミラー１４を有し、注入電流源１５に代えて励起用光源１７を有する。なお、ダイクロイックミラー１４に代えて半透過膜を用いてもよい。これは他の例においても同様である。係る点で第１実施形態と異なる。他の点は、第１実施形態と同じである。本例においても、第１実施形態と同様にレーザー光の周波数を離散的または連続的に走査することができる。それゆえ、フィルタ３０の効果を除いて第１実施形態と同様と同様の効果を得ることができる。なお、第２実施形態においても、第１実施形態の図３及び図５から図９の態様を適用してよい。

図１１は、第３実施形態におけるレーザー光源システム１５４を示す図である。本例のレーザー光源装置１０４は、図１０の例と比較して、偏向器５０及び回折格子６０の位置が異なる。また、アウトプットカプラ６５を有する点でも、図１０の例と異なる。他の点は、図１０の例と同じである。本例においても、第１実施形態と同様にレーザー光の周波数を離散的または連続的に走査することができる。それゆえ、フィルタ３０の効果を除いて第１実施形態と同様と同様の効果を得ることができる。なお、第３実施形態においても、第１実施形態の図３及び図５から図９の態様を適用してよい。

アウトプットカプラ６５は、共振経路７０からレーザー光を外部に取り出す機能を有する。なお、アウトプットカプラ６５の配置は図１１の例に限定されない。アウトプットカプラ６５は、ダイクロイックミラー１４と光増幅媒質１０との間、光増幅媒質１０と光路長調整器２０との間、フィルタ３０と回折格子６０との間、または、偏向器５０と反射鏡１６との間に設けてもよい。

図１２は、第４実施形態におけるレーザー光源システム１５６を示す図である。本例のレーザー光源装置１０６は、フィルタ３０を有しない。係る点で第１実施形態と異なる。他の点は、第１実施形態と同じであってよい。

本例では、フィルタ３０に代えて、光路長調整器２０により、共振条件に適った周波数成分を選択的に通過させる。光路長調整器２０は、共振経路７０で発振する２または３個の周波数モード光のうち、特定の一つの周波数モード光を透過させてよい。本例においても、第１実施形態と同様にレーザー光の周波数を離散的または連続的に走査することができる。それゆえ、フィルタ３０の効果を除いて第１実施形態と同様と同様の効果を得ることができる。なお、第４実施形態において、第１実施形態の図３及び図６から図９の態様を適用してよい。

図１３は、第５実施形態におけるレーザー光源システム１５８を示す図である。本例は、本例のレーザー光源装置１０８は、図１２の例と比較して、偏向器５０及び回折格子６０の位置が異なる。また、アウトプットカプラ６５を有する点でも、図１２の例と異なる。他の点は、図１２の例と同じである。本例においても、第１実施形態と同様にレーザー光の周波数を離散的または連続的に走査することができる。それゆえ、フィルタ３０の効果を除いて第１実施形態と同様と同様の効果を得ることができる。なお、第５実施形態においても、第１実施形態の図３及び図６から図９の態様を適用してよい。

図１４は、回折格子６０及び反射部６２のリットマン配置の例を示す図である。本例は、第１実施形態における図６の例に対応する。本例の偏向器５０は、光増幅媒質１０と回折格子６０との間に配置される。但し、本例では光増幅媒質１０と偏向器５０との間に光路長調整器２０が設けられる。なお、光増幅媒質１０及び光路長調整器２０の配置は図１４の順番に限定されず、任意の順番に並び替えてよい。

図１５は、第６実施形態におけるレーザー光源システム１６０を示す図である。本例のレーザー光源装置１１０は、反射鏡１２に代えてダイクロイックミラー１４を有し、注入電流源１５に代えて励起用光源１７を有する。係る点で第５実施形態と異なる。他の点は、第５実施形態と同じである。本例においても、第１実施形態と同様にレーザー光の周波数を離散的または連続的に走査することができる。それゆえ、フィルタ３０の効果を除いて第１実施形態と同様と同様の効果を得ることができる。なお、第６実施形態においても、第１実施形態の図３及び図６から図９の態様を適用してよい。

図１６は、第７実施形態におけるレーザー光源システム１６２を示す図である。本例のレーザー光源装置１１２は、反射鏡１２と、光増幅媒質１０と、フィルタ３０と、分光素子としてのＶＩＰＡ（ＶｉｒｔｕａｌｌｙＩｍａｇｅｄＰｈａｓｅＡｒｒａｙ）７５と、反射鏡１６とを有する。本例のレーザー光源装置１１２は、反射鏡１２を第１端７２とし反射鏡１６を第２端７４とする共振経路７０を有する。レーザー光源装置１１２は、共振経路７０において共振された光の一部をアウトプットカプラ６５からレーザー光として外部に出力する。

図１７は、ＶＩＰＡ７５、偏向器５０及び反射鏡１６を示す図である。ＶＩＰＡ７５は、ガラス体７６を挟んで設けられた反射膜７７及び反射膜７８からなる。ＶＩＰＡ７５に入射する光は、反射膜７７が設けられていない部分からガラス体７６に入る。ＶＩＰＡ７５に入射した光は、反射膜７７及び反射膜７８の間で複数回反射した後に、反射膜７８から偏向器５０へ出射される。なお、フィルタ３０の位置は、光増幅媒質１０とＶＩＰＡ７５との間に代えて、反射鏡１２と光増幅媒質１０との間、または、偏向器５０と反射鏡１６との間に設けられてもよい。

ＶＩＰＡ７５は、波長に応じて異なる角度で光を分光する。例えば、ＶＩＰＡ７５は、角度θ_{ｏｕｔ‐１}から角度θ_{ｏｕｔ‐Ｎ}（Ｎは任意の自然数）までの異なる角度で偏向器５０に光を出射する。角度θ_{ｏｕｔ‐１}から角度θ_{ｏｕｔ‐Ｎ}で出射される光の各々は、フィルタ３０のＦＳＲにより規定される周波数間隔で離間した複数の周波数を有する。例えば、角度θ_{ｏｕｔ‐１}で出射される光は、ｆ_１＋Ｍ・ＦＳＲ（Ｍは任意の自然数）の周波数を有してよく、角度θ_{ｏｕｔ‐２}で出射される光は、ｆ_１＋Ｍ・ＦＳＲ（ｆ_１≠ｆ_２）の周波数を有してよい。つまり、角度θ_{ｏｕｔ‐１}から角度θ_{ｏｕｔ‐Ｎ}で出射される光の周波数は、互いに異なってよい。

本例では、角度θ_{ｏｕｔ‐３}で出射される光が、偏向器５０を経て反射鏡１６に対して垂直に入射する。それゆえ、角度θ_{ｏｕｔ‐３}で出射される光の周波数成分以外の光は、共振経路７０内で共振されない。加えて、偏向器５０の偏向角度θは波長依存性を有するので、偏向器５０から反射鏡１６に対して真に垂直に出射される光の周波数成分は、角度θ_{ｏｕｔ‐３}で出射された光の複数の周波数成分のうち１つだけである。これにより、特定の条件においてレーザー光として出力される光の周波数は定まる、また、周波数走査マイクロ波信号発生器８０により偏向器５０の偏向角度θを離散的に走査することにより、出力レーザー光の周波数を離散的に変化させることができる。

本例では、分光素子として回折格子６０ではなく、ＶＩＰＡ７５を用いている。回折格子６０は、０次回折光および−１次回折光のみを用いて光を共振させる。つまり、０次回折光および−１次回折光以外は用いない。これに対して、ＶＩＰＡ７５は、０次回折光および−１次回折光以外の光も用いる。それゆえ、ＶＩＰＡ７５を用いた第７実施形態は、回折格子６０を用いた例に比べて、エネルギー損失を低くすることができる。また、本例では、アウトプットカプラ６５を用いて、共振経路７０の途中からレーザー光を外部に取り出すので、光軸がずれないという効果も有する。

図１８は、第８実施形態におけるレーザー光源システム１６４を示す図である。本例のレーザー光源装置１１４は、アウトプットカプラ６５に代えて、半透過膜１８を用いる。そして、半透過膜１８から外部へレーザー光を取り出す。係るにおいて、図１６の例と異なる。他の点は、図１６の例と同じである。本例においても、第７実施形態と同様の効果を得ることができる。

第９実施形態（図１９）から第１３実施形態（図２３）においては、光ファイバ９４を用いて光学的にリング状に各素子を結合することにより、共振経路７０を形成している。係る点がこれまでの実施形態と異なる。図１９は、第９実施形態におけるレーザー光源システム１６６を示す図である。本例のレーザー光源装置１１６は、光ファイバ９４により光学的にリング状に結合された、光増幅媒質１０、フィルタ３０、カプラ９２及び空間光学系９９を有する。なお、フィルタ３０は、図８に記載した光共振器３２としてもよい。

空間光学系９９は、２つのファイバポート９８の間に回折格子６０及び偏向器５０を有する。ファイバポート９８は、光ファイバとレンズを有してよい。ファイバポート９８は、光ファイバ９４から出射される光をレンズにより平行光にして、偏向器５０または回折格子６０に入射させる機能を有する。光増幅媒質１０、フィルタ３０、偏向器５０及び回折格子６０の機能は、第１実施形態等と同じである。

レーザー光は、カプラ９２からレーザー光源装置１１６の外部へ取り出すことができる。本例においても、制御部９０が周波数走査マイクロ波信号発生器８０を介して偏向器５０を制御することにより、第１実施形態と同様にレーザー光を周波数走査することができる。

図２０は、第１０実施形態におけるレーザー光源システム１６８を示す図である。本例のレーザー光源装置１１８では、空間光学系９９がサーキュレータ９７を介して各素子と光学的に結合されている。また、空間光学系９９は、２つのファイバポート９８に代えて、１つのファイバポート９８及び反射鏡１２を有する。係る点において、第９実施形態と異なる。他の点は第９実施形態と同じである。

図２１は、第１１実施形態におけるレーザー光源システム１７０を示す図である。本例のレーザー光源装置１２０は、光ファイバ９４により光学的にリング状に結合された、光増幅媒質１０、フィルタ３０及び偏向器５０を有する。回折格子６０及びファイバポート９８を有しない点が、第９実施形態（図１９）との相違点である。

偏向器５０から出射される偏向角度θが波長依存性を有することは、上述の通りである。また、光ファイバの直径は数μｍと小さい。それゆえ、偏向角度θの波長依存性に起因して、特定の波長の光は光ファイバ９４に入射するが、当該特定の波長以外は光ファイバ９４に入射しないこととなる。つまり本例では、偏向器５０から光ファイバ９４の端面に光が出射される場合において、光ファイバ９４の端面が分光素子と同じ機能を有する。本例においても第１実施形態と同様にレーザー光を周波数走査することができる。

図２２は、第１２実施形態におけるレーザー光源システム１７２を示す図である。本例のレーザー光源装置１２２では、空間光学系９９がサーキュレータ９７を介して各素子と光学的に結合されている。また、空間光学系９９は、偏向器５０及び反射鏡１２を有する。係る点において、第１１実施形態（図２１）と異なる。他の点は第２１実施形態と同じである。

図２３は、第１３実施形態におけるレーザー光源システム１７４を示す図である。本例のレーザー光源装置１２４は、周波数を離散走査するのではなくコム光を生成する。係る点において、第９実施形態（図１９）から第１２実施形態（図２２）の例と異なる。本例のレーザー光源装置１２４は、光増幅媒質１０、フィルタ３０、カプラ９２及び光位相変調器９６を有する。

光位相変調器９６は、異なる複数の波長を含む光における各波長の位相を同期する。これにより、レーザー光源装置１２４は、多波長（複数の周波数）を発振することができる。つまり、レーザー光源装置１２４は、周波数軸上においてＦＳＲだけ離間した離間した複数の周波数ピークを含むコム光を生成することができる。これにより、レーザー光源装置１２４が出力するレーザー光はコム光となる。

図２４は、ＳＳ（Ｓｗｅｐｔ‐Ｓｏｕｒｃｅ）干渉計システム２５０を示す図である。本例のＳＳ干渉計システム２５０は、第１実施形態のレーザー光源装置１００、注入電流源１５、ドライバ２５、周波数走査マイクロ波信号発生器８０及び制御部９０に加えて、スプリッター２１２、光検出器２１４、被測定対象２１６及び移動ステージ２１８を有する。なお、他の実施形態におけるレーザー光源装置１０２から１２４のいずれかを適用してもよい。図２５及び図２６の例においても上述の実施例におけるレーザー光源装置１００から１２４のいずれかを適用してもよい。

レーザー光源装置１００、スプリッター２１２及び光検出器２１４は、干渉計２１０を構成する。スプリッター２１２は、レーザー光源装置１００から出射された光の一部を被測定対象２１６へ透過させて、かつ、被測定対象２１６から反射された光とレーザー光源装置１００から出射された光の他の一部とを合波する。光検出器２１４は、スプリッター２１２で合波された光を受光し電気信号に変換して、当該電気信号を制御部９０に送信する。制御部９０は、光検出器２１４からの電気信号を処理することにより、光の入射方向における被測定対象２１６の１次元の断面情報を得ることができる。

制御部９０は、周波数走査マイクロ波信号発生器８０の周波数走査と同期して、移動ステージ２１８を動作させてよい。移動ステージ２１８は、被測定対象２１６に入射する光の入射方向に対して垂直である２次元平面内において、被測定対象２１６を移動させてよい。これにより、ＳＳ干渉計システム２５０は、被測定対象２１６の３次元の断面情報を得ることができる。

図２５は、シングルショット干渉計システム３５０を示す図である。シングルショット干渉計システム３５０は、スプリッター２１２に代えてシングルショット干渉計３１０を有する。なお、移動ステージ２１８は有さない。係る点がＳＳ干渉計システム２５０と異なる。シングルショット干渉計システム３５０は、被測定対象２１６の深さ方向と、当該深さ方向に垂直な方向との２次元の断面情報を得ることができる。

図２６は、干渉部３２０の構成を示す図である。干渉部３２０は、スプリッター３２２、反射部３２４、ＳＰＭ（ＳｐａｔｉａｌＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｏｒ）３２６、レンズ３２７及びスプリッター３２８を有する。ＳＰＭ３２６は、周波数に応じて反射距離を変化させて、入射した光を反射する。本例では、レーザー光源装置１００が出射する光の周波数が時間に対して離散的または連続的に変化するので、スプリッター３２２及び反射部３２４で反射されてＳＰＭ３２６に入射した光は、時刻ｔ_１からｔ_ｎまでの間に異なる光路を通過して光検出器２１４に入射する。

スプリッター３２８は、レーザー光源装置１００から出力された光の一部を被測定対象２１６へ透過させて、かつ、被測定対象２１６から反射された光とレーザー光源装置１００から出力された光の他の一部とを合波する。これにより、ＳＰＭ３２６からレンズ３２７を経てスプリッター３２８に入射する光と、被測定対象２１６からの反射光との干渉光が、光検出器２１４に入射する。これにより、２次元の断面情報を得ることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・光増幅媒質、１２・・反射鏡、１４・・ダイクロイックミラー、１５・・注入電流源、１６・・反射鏡、１７・・励起用光源、１８・・半透過膜
２０・・光路長調整器、２５・・ドライバ、２６・・電極、２７・・光学媒体、３０・・フィルタ、３２・・光共振器、３３・・光学結晶体、３４・・半透過膜、３５・・反射体、３６・・反射面、３７・・反射防止膜、３８・・共振長
４０・・ＳＯＩ基板、４１・・シリコン層、４２・・絶縁層、４３・・シリコン層、４５・・固定部、４６・・可動端、４７・・固定端、４８・・間隔調整部、４９・・端子
５０・・偏向器、５２・・光学媒体、５４・・振動子、５６・・電極
６０・・回折格子、６２・・反射部、６５・・アウトプットカプラ
７０・・共振経路、７２・・第１端、７４・・第２端、７５・・ＶＩＰＡ、７６・・ガラス体、７７・・反射膜、７８・・反射膜、８０・・周波数走査マイクロ波信号発生器
９０・・制御部、９２・・カプラ、９４・・光ファイバ、９６・・光位相変調器、９７・・サーキュレータ、９８・・ファイバポート、９９・・空間光学系
１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２、１２４・・レーザー光源装置
１５０、１５２、１５４、１５６、１５８、１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２、１７４・・レーザー光源システム
２１０・・干渉計、２１２・・スプリッター、２１４・・光検出器、２１６・・被測定対象、２１８・・移動ステージ、２５０・・ＳＳ干渉計システム、３１０・・シングルショット干渉計、３２０・・干渉部、３２２・・スプリッター、３２４・・反射部、３２６・・ＳＰＭ、３２７・・レンズ、３２８・・スプリッター、３５０・・シングルショット干渉計システム

Claims

入射する光の一部を出射する分光素子と、
光学媒体と振動子とを有しており、振動子によって前記光学媒体内に発生した音響周波数に応じて設定される偏向角度で光を出射する音響光学偏向器と、
離散した複数の周波数成分を通過させるエタロンフィルタと
を備え、
前記分光素子、前記音響光学偏向器及び前記エタロンフィルタは、共振経路に設けられており、前記エタロンフィルタは、光共振器であり、
更に、前記光共振器の共振長を制御して、前記離散した複数の周波数成分の間隔を調整する間隔調整部を備える、
レーザー光源装置。
入射する光の一部を出射する分光素子と、
光学媒体と振動子とを有しており、振動子によって前記光学媒体内に発生した音響周波数に応じて設定される偏向角度で光を出射する音響光学偏向器と、
離散した複数の周波数成分を通過させるエタロンフィルタと
を備え、
前記分光素子、前記音響光学偏向器及び前記エタロンフィルタは、共振経路に設けられており、
前記分光素子は、ＶＩＰＡ（ＶｉｒｔｕａｌｌｙＩｍａｇｅｄＰｈａｓｅＡｒｒａｙ）である、レーザー光源装置。
入射する光の一部を出射する分光素子と、
光学媒体と振動子とを有しており、振動子によって前記光学媒体内に発生した音響周波数に応じて設定される偏向角度で光を出射する音響光学偏向器と、
離散した複数の周波数成分を通過させるエタロンフィルタと
を備え、
前記分光素子、前記音響光学偏向器及び前記エタロンフィルタは、共振経路に設けられており、
レーザー光源の発振波長に対応する光を増幅する光増幅媒質と、
前記共振経路の外部にレーザー光を取り出すカプラと、をさらに備えており、
前記共振経路においては、前記光増幅媒質と、前記カプラと、エタロンフィルタと、音響光学偏向器および前記分光素子を含む空間光学系とが、光ファイバを用いて光学的にリング状に結合されている、レーザー光源装置。
前記音響光学偏向器は、前記偏向角度を順次変化させる
請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザー光源装置。
前記振動子は、制御信号に応じて、前記光学媒体内に音響種周波数を発生させ、
前記音響光学偏向器は、前記音響周波数に応じて前記光学媒体内の屈折率が変化し、前記屈折率に応じた前記偏向角度で光を出射する、
請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザー光源装置。
前記音響光学偏向器における前記偏向角度を、時間に対して連続的に変化させる前記制御信号を生成する制御部を更に備える
請求項５に記載のレーザー光源装置。
前記共振経路に設けられ、印加された電流により屈折率が変化する電気光学結晶を含んでおり、前記共振経路の光路長を調整する光路長調整器を更に備え、
前記制御部は、前記音響光学偏向器における前記偏向角度の変化に同期して、前記光路長調整器における前記光路長を制御する
請求項６に記載のレーザー光源装置。
前記分光素子は回折格子であり、
前記回折格子に対向して配置された反射部と、
レーザー光源の発振波長に対応する光を増幅する光増幅媒質と
をさらに備え、
前記エタロンフィルタは、前記回折格子と前記反射部との間に配置され、かつ、前記音響光学偏向器は前記光増幅媒質と前記回折格子との間に設けられる、または、
前記エタロンフィルタ及び前記音響光学偏向器は、前記光増幅媒質と前記回折格子との間に配置され、かつ、前記音響光学偏向器は前記エタロンフィルタよりも前記回折格子の側に設けられる
請求項１または３に記載のレーザー光源装置。
入射する光の一部を出射する分光素子と、
光学媒体と振動子とを有しており、入力される制御信号に基づいて前記振動子によって前記光学媒体内に発生した音響周波数に応じて前記光学媒体内の屈折率が変化し、前記屈折率に応じた偏向角度で光を出射する音響光学偏向器と、
前記音響光学偏向器における前記偏向角度を、離散的な前記偏向角度に順次設定する前記制御信号を生成する制御部と
を備え、
前記分光素子及び前記音響光学偏向器は、共振経路に設けられており、
前記分光素子は、ＶＩＰＡ（ＶｉｒｔｕａｌｌｙＩｍａｇｅｄＰｈａｓｅＡｒｒａｙ）である、レーザー光源装置。
前記共振経路に設けられ、印加された電流により屈折率が変化する電気光学結晶を含んでおり、前記共振経路の光路長を調整する光路長調整器を更に備え、
前記制御部は、前記音響光学偏向器における前記偏向角度の変化に同期して、前記光路長調整器における前記光路長を制御する
請求項９に記載のレーザー光源装置。
請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザー光源装置と、
前記レーザー光源装置から出射された光の一部を被測定対象へ透過させて、かつ、前記被測定対象から反射された光と前記レーザー光源装置から出射された光の他の一部とを合波するスプリッターと、
前記スプリッターで合波された光を受光する光検出器と
を備える干渉計。