CN104641286B - 波长转换型空间光调制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的波长转换型空间光调制装置具备：空间光调制部(10)，具有相位调制面(10a)，其输入比紫外区更长的波长区的激光(L1)，在二维排列的多个区域的各个对激光(L1)的相位进行调制并产生调制激光(L2)；波长转换部(20)，具有接收从空间光调制部(10)输出的调制激光(L2)的光入射面，且用以将调制激光(L2)的波长转换成紫外区的波长；及像转移光学系统(30)，将空间光调制部(10)的相位调制面和波长转换部(20)的光入射面，以彼此光学上成为共轭系统的方式进行结合。由此，能输出空间上经相位调制的紫外线激光，且实现能减少对空间光调制部的影响的波长转换型空间光调制装置。

Description

波长转换型空间光调制装置
技术领域
本发明涉及波长转换型空间光调制装置。
背景技术
非专利文献1记载有使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)镜进行紫外光(波长400nm)在傅立叶面的相位调制的技术。该非专利文献1所使用的MEMS镜能将包含于200nm以上900nm以下的波长范围的光进行空间上相位调制。
另外，非专利文献2记载有使用能让包含紫外区的波长范围的光透过的液晶装置，进行宽带光在傅立叶面的相位调制的技术。该非专利文献2所使用的液晶装置为能将包含于260nm以上1100nm以下的波长范围的光进行空间上相位调制。此外，该非专利文献2所使用的液晶本身的评估结果记载于非专利文献3。
另外，非专利文献4记载有将350nm频带的光进行空间上相位调制的技术。该非专利文献4所使用的相位调制装置，可想到具有衍射光学元件(DOE:Diffractive OpticsElements)这种固定的调制图案的装置。
另外，非专利文献5记载有以紫外激光的脉冲波形控制作为目的，在傅立叶面的相位调制之后进行波长转换的技术。
先行技术文献
非专利文献
非专利文献1：M.Hacker et al.,“Micromirror SLM for femtosecond pulseshaping in the ultraviolet”,Applied Physics B,Vol.76,pp.711-714(2003)
非专利文献2：T.Tanigawa et al.,“Spatial light modulator of 648pixelswith liquid crystal transparent from ultraviolet to near-infrared and itschirp compensation application”,Optics Letters,Vol.34,No.11,pp.1696-1698(2009)
非专利文献3：K.Hazu et al.,“Spatial light modulator with an over-two-octave bandwidth from ultraviolet to near infrared”,Optics Letters,Vol.32,pp.3318-3320(2007)
非专利文献4：A.Holle et a1.,“Optimizing UV laser focus profiles forimproved MALDI performance”,Journal of Mass Spectrometry,Vol.41,pp.705-716(2006)
非专利文献5：P.Nuernberger et al.,“Generation of shaped ultravioletpulses at the third harmonic of titanium-sapphire femtosecond laserradiation”,Applied Physics B,Vol.88,pp.519-526(2007)
发明内容
发明所要解决的课题
近年来，在激光加工的领域中，使用空间光调制器将激光进行空间上相位调制。通过使用空间光调制器能将激光整形成任意图案，而能实现具有各种特征的加工。
另外，近年来，在激光加工的领域，尝试由紫外激光的加工。由紫外激光的加工，相较于由近红外光或可见光的加工，由于激光容易被各种材料吸收，能使点径小因而能进行微细加工，对加工对象的热影响减少而具有众多优点。因此，通过紫外激光的加工使可加工的材料的适用范围较广，且可实现高质量且微细的加工。另外，紫外激光也适用于光刻中的曝光、对紫外线硬化树脂的照射等的利用化学性作用的加工。
但是，相较于近红外光或可见光，紫外激光的光子能量大，因此在使用空间光调制器将紫外激光进行空间上相位调制时，会有影响到空间光调制器的动作的情形。例如，在LCOS(Liquid crystal on silicon)型空间光调制器的情形，由于紫外激光透过设置在液晶层或其两侧的取向膜而使得其等逐渐地劣化，因此要稳定地进行调制动作变困难。
本发明鉴于这种问题点而研发，其目的在于提供波长转换型空间光调制装置，其能输出空间上经相位调制的紫外激光，且能减少对空间光调制部的影响。
解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的波长转换型空间光调制装置，其特征为，具备：空间光调制部，具有相位调制面，其输入比紫外区更长的波长区的激光，且在二维排列的多个区域的各个对激光的相位进行调制并产生调制激光；波长转换部，具有接收从空间光调制部输出的调制激光的光入射面，并将调制激光的波长转换成紫外区的波长；及像转移光学系统，将空间光调制部的相位调制面和波长转换部的光入射面，以彼此光学上成为共轭系统的方式进行结合。
该波长转换型空间光调制装置具备空间光调制部及波长转换部。空间光调制部输入比紫外区更长的波长区(例如可见区等)的激光且对该激光进行空间上的相位调制。因而，相较于输入紫外激光的情形，对空间光调制部的动作的影响显著地减少。另外，波长转换部将从空间光调制部输出的调制激光的波长转换成紫外区的波长。由此，能适当地输出空间上经相位调制的紫外激光。
通常，对激光施加空间上不均等的相位调制时，该激光显示以各调制点为点光源的传播特性。因而，相位调制后的激光的相位分布系随着激光的行进而逐渐地变化。鉴于这种问题，上述波长转换型空间光调制装置由像转移光学系统，将空间光调制部的相位调制面和波长转换部的光入射面，以彼此光学上成为共轭系统的方式进行结合。由此，使在空间光调制部的相位调制面赋予激光的相位分布转移到波长转换部的光入射面(亦即波长转换面)，而能以所期望的相位分布赋予到激光的状态进行波长转换。因而，根据上述波长转换型空间光调制装置，能适当地输出被施加期望的相位调制后的紫外激光。
发明的效果
根据本发明的波长转换型空间光调制装置，能输出空间上经相位调制的紫外激光，且能减少对空间光调制部的影响。
附图说明
图1是第1实施方式的波长转换型空间光调制装置的结构的示意概略图。
图2是上述光调制装置的具体例的光调制装置的示意图。
图3是像转移光学系统及上述规定的光学系统的具体例的示意图。
图4是作为空间光调制部的例所显示的SLM模块的侧剖视图。
图5是反射型SLM的俯视图。
图6是图5所示的反射型SLM的沿着VI-VI线的侧剖视图。
图7(a)～(d)是作为实施例的使用本实施方式的光调制装置产生文字图案的结果的示意图。
图8是菲涅耳透镜状的相位图案的例的示意图。
图9是使用焦点距离为12m的菲涅耳透镜的相位图案进行相位调制时的点观察像的示意图。
图10是将BBO结晶中从调制激光(波长515nm)朝紫外线激光(波长258nm)的波长转换效率、与菲涅耳透镜状的相位图案的焦点距离的关系予以作图的图表。
图11(a)(b)是柱面透镜状的相位图案的例的示意图。
图12是一维衍射光栅状的相位图案的例的示意图。
图13是使用焦点距离为8m的柱状透镜的相位图案进行相位调制时的情形的观察像的示意图。
图14是使用光栅间隔为200μm的二値衍射光栅的相位图案进行相位调制的情形的观察像的示意图。
图15是作为上述实施方式的像转移光学系统的变形例的像转移光学系统33的构成示意图。
图16是构成第2实施方式的光调制装置的示意概略图。
图17是作为上述光调制装置的具体例的光调制装置的示意图。
具体实施方式
以下，边参照附图边详细说明本发明的波长转换型空间光调制装置的实施方式。此外，图式说明中，对同一要素附加同一符号而省略重复说明。
(第1实施方式)
图1是本发明的第1实施方式的波长转换型空间光调制装置(以下称为光调制装置)的构成的概略示意图。本实施方式的光调制装置1A具备空间光调制部10、波长转换部20及像转移光学系统30。
空间光调制部10具有在二维排列的多个区域的各个对输入光的相位进行调制的相位调制面10a。本实施方式的空间光调制部10例如由LCOS型空间光调制器构成。空间光调制部10将比紫外区更长的波长区(例如可见区和红外区。具体而言是波长400nm以上)的激光L1输入相位调制面10a，在上述多个区域的各个调制激光L1的相位，且在垂直于激光L1的光轴的剖面(以下称为光束剖面)的各点施行规定的相位调制之后，输出相位调制后的激光(以下称为调制激光)L2。
波长转换部20具有接收从空间光调制部10输出的调制激光L2的光入射面，且将调制激光L2的波长转换成紫外区的波长(例如200nm～400nm)。波长转换部20将波长转换后的紫外激光L3输出至光调制装置1A的外部。
作为波长转换部20，使用波长转换前的光波相位信息和波长转换后的光波相位信息具有一定的函数关系的性质。因此，波长转换部20含有例如非线性光学结晶而构成，由产生调制激光L2的高次谐波(第2高次谐波等)，将调制激光L2转换成紫外激光L3。例如，在非线性光学结晶产生第2高次谐波的情形，由于产生与输入的调制激光L2的光束剖面各点的电场的平方成比例的输出光，因此对于调制激光L2的光束剖面各点的相位调制量，能得到在各点具有2倍相位调制量的紫外激光L3。此外，产生高次谐波的方式当然只是一例，波长转换部20的构成不限定于此。
此处，通常，在空间上不均等的相位调制施加于激光时，该激光显示以各调制点为点光源的传播特性。因而，调制激光L2的相位分布随着调制激光L2的行进而逐渐地变化。因此，本实施方式中，像转移光学系统30将相位调制面10a的调制激光L2的光束剖面的强度及相位分布，转移至波长转换部20的光入射面(波长转换面)的光束剖面的强度及相位分布。
即，本实施方式的像转移光学系统30是配置于空间光调制部10和波长转换部20之间的光学系统，空间光调制部10的相位调制面10a和波长转换部20的光入射面，以彼此成为光学性共轭系统的方式结合。像转移光学系统30包含一个或多个透镜而构成。作为像转移光学系统30的构成优选为具有使平行光到平行光建立对应的特性的4f光学系 统，也可以是连结多个4f光学系统而构成，但不限于这些。例如，像转移光学系统30也可以是由1片单透镜使相位调制面10a和波长转换部20的光入射面形成共轭的光学系统。另外，像转移光学系统30的前后的成像面彼此的关系也可以是放大、等倍、缩小的任一种。
由这种像转移光学系统30的作用，将在空间光调制部10的相位调制面10a所给予的调制激光L2的相位分布转移到波长转换部20的光入射面(波长转换面)，能在调制激光L2维持所期望的相位分布的状态下进行波长转换。换言之，波长转换面的调制激光L2各点的相位调制量与空间光调制部10的相位调制面10a的共轭点的相位调制量成为相同大小。由此，能适当地控制波长转换时的光束剖面各点的相位调制量。
根据本实施方式的光调制装置1A，通过具备以上构成，能将波长转换部20的紫外激光L3的光束剖面各点的空间相位调制量，由空间光调制部10的相位调制而适当地控制，因此能适当地输出在光束剖面各点施加有所期望的相位调制的紫外激光L3。
图2是作为上述光调制装置1A的具体例的光调制装置1B的示意图。图2所示的光调制装置1B除了上述空间光调制部10、波长转换部20及像转移光学系统30以外，还具备光源41，光束扩展器42、衰减器43、聚光透镜44及加工台45。
光源41输出例如波长515nm、脉冲宽1.0ps、重复频率数100Hz的脉冲激光作为激光L1。光源41由例如超短脉冲激光源41a及第2高次谐波(SHG)转换单元41b适当地构成。在光源41输出波长515nm的光作为激光L1时，超短脉冲激光源41a输出波长1030nm的光。SHG转换单元41b产生该光的第2高次谐波，即波长515nm的光。从光源41输出的激光L1由光束扩展器42及衰减器43调整成最适当的光束轮廓及光强度之后，射入空间光调制部10。此外，优选地，衰减器43例如包含波长板43a及偏光光束分光镜43b而构成。
像转移光学系统30由包含2片透镜31、32的中继光学系统而构成。如前述，像转移光学系统30将空间光调制部10的相位调制面和波长转换部20的光入射面以彼此共轭系统的方式进行结合。
波长转换部20为例如BBO结晶、LBO结晶，CLBO结晶等适于 产生紫外区高次谐波的非线性光学结晶。本例中，由于使用超短脉冲激光源41a作为光源41，即使将非线性光学结晶的厚度设定为充分保持像转移光学系统30的共轭关系的长度以下，也能得到充分的转换效率。此外，在使用超短脉冲激光源41a以外的光源(连续光源等)作为光源41时，为了提高波长转换效率，可使用长条的非线性光学结晶作为波长转换部20。因而，优选地，像转移光学系统30具有也考虑到光轴方向的非线性光学结晶的宽度的焦点深度大的共轭系统。
在该光调制装置1B，空间光调制部10的相位调制面和波长转换部20的波长转换面(非线性光学结晶面)由像转移光学系统30的中继光学系统而彼此形成共轭关系。由此，将在相位调制面的调制波阵面转送至非线性光学结晶面。而且，所转送的光(调制激光L2)在非线性光学结晶中转换成1/2波长的光，作为紫外激光L3射出。此时，射出光的波阵面的相位调制量变成赋予空间光调制部10的相位调制量的2倍。由此，能够适当地实现紫外激光L3(波长258nm)的波阵面调制。
此外，如图2所示，经调制的紫外激光L3从波长转换部20的非线性光学结晶面经由规定的光学系统(例如4f光学系统)被导光至加工对象物A的加工部位，由此能对加工对象物A以所期望的图案进行加工。此外，本例中，作为上述规定的光学系统系例示聚光透镜44，但既定的光学系统不限于此。
图3是像转移光学系统30及上述既定的光学系统的具体例的示意图。在图2所示的光调制装置1B，为了将由空间光调制部10的相位调制面10a所给予的相位分布正确地转送至波长转换部20的波长转换面20a，优选为相位调制面10a和波长转换面20a为具有傅立叶共轭的关系。例如，如图3所示，优选使相位调制面10a和透镜31的距离与透镜31的焦点距离f1(例如250mm)相等，使透镜31和透镜32的距离与焦点距离f1和透镜32的焦点距离f2(例如100mm)的和相等，使透镜32和波长转换面20a的距离与焦点距离f2相等。另外，优选地，使波长转换面20a和透镜44的距离、及使透镜44和成像面46(加工对象物的表面)的距离，各自与透镜44的焦点距离f3(例如200mm)相等。
由这种像转移光学系统30，使相位调制面10a和波长转换面20a彼此建立对应作为缩小光学系统，且在相位调制面10a产生的调制激 光L2在傅立叶共轭面即波长转换面20a成像。此外，优选地，实际进行微细加工时，将相位调制面10a的相位分布转送至对物透镜44的瞳面，得到适当大小的图案。
图4作为空间光调制部10的例的SLM(Spatial Light Modulator)模块11的示意侧剖视图。该SLM模块11具备壳体12及收纳于壳体12内部的棱镜13及反射型SLM14。壳体12具有大致直方体状的外观，其一对侧壁的一方设置有开口12a，另一方设置有开口12b。从图2所示的光源41将激光L1射入开口12a。
棱镜13为其一剖面呈形成三角形状的四面体，具有：包含该三角形状的三边当中的一边的第1面13a、包含另一边的第2面13b及包含剩余的一边的第3面13c。在第1面13a形成有反射激光L1的电介质多层膜镜18a，在第2面13b形成有同样地反射激光L1的电介质质多层膜镜18b。棱镜13以其厚度方向与连结开口12a和开口12b的轴线正交的方式，载置于壳体12的底板12c上。而且，棱镜13的第1面13a朝向壳体12的开口12a配置，第2面13b朝向开口12b配置。棱镜13的第3面13c配置于壳体12的底板12c上。
反射型SLM14在壳体12的内部配置在棱镜13的上方。反射型SLM14从斜前方接收由电介质多层膜镜18a反射的激光L1，使该激光L1反射，并且通过在二维排列的多个区域(像素)的各个对激光L1进行相位调制并产生调制激光L2。此外，反射型SLM14由牵连机构16支持。牵连机构16为了调整反射型SLM14的角度而固定于壳体12，并吊下反射型SLM14。在牵连机构16和壳体12的顶板12d之间配置有用以控制反射型SLM14的电路基板17。
图5及图6为反射型SLM14的构成例的示意图。图5为反射型SLM14的俯视图。另外，图6为沿着图5所示的反射型SLM14的VI-VI线的侧剖视图。本实施方式的反射型SLM14如图5所示具备二维排列的多个像素区域14a。另外，参照图6，反射型SLM14具备硅基板14b、驱动电路层14c、多个像素电极14d、电介质多层膜14e、液晶层14f、透明导电膜14g及透明基板14h。
透明基板14h主要含有例如玻璃等光透过性材料，使射入的激光L透过至反射型SLM14的内部。透明导电膜14g形成在透明基板14h 的背面上，主要含有透过激光L1的导电性材料(例如ITO)而构成。多个像素电极14d依照图5所示的多个像素区域14a的排列而排列成二维状，沿着透明导电膜14g排列于硅基板14b上。各像素电极14d例如由铝这种金属材料构成，这些的表面加工成平坦且滑顺。多个像素电极14d由设置于驱动电路层14c的有源阵列电路而驱动。有源阵列电路对应欲从反射型SLM14输出的调制激光L2的光像而控制对各像素电极14d的施加电压。
液晶层14f配置于多个像素电极14d和透明导电膜14g之间，在其两侧(液晶层14f和像素电极14d之间，及液晶层14f和透明导电膜14g之间)分别配置有取向膜14j及14k。液晶层14f对应由各像素电极14d和透明导电膜14g所形成的电场而调制激光L1的相位。即，由有源阵列电路在某一像素电极14d施加电压，则在透明导电膜14g和该像素电极14d之间形成电场。该电场对于电介质多层膜14e及液晶层14f的各个，以对应于各个的厚度的比例予以施加。而且，对应于施加在液晶层14f的电场的大小使液晶分子C的排列方向改变。
激光L1透过透明基板14h及透明导电膜14g而射入液晶层14f时，该激光L1在通过液晶层14f的期间由液晶分子C调制，在电介质多层膜14e反射后，再度由液晶层14f调制后取出。电介质多层膜14e配置于多个像素电极14d和液晶层14f之间，与像素电极14d的表面具有的光反射作用协同动作，将激光L1以高反射率反射。
对由具备以上构成的本实施方式的光调制装置1A、1B所得到的效果进行说明。该光调制装置1A、1B具备空间光调制部10及波长转换部20。空间光调制部10输入比紫外区更长的波长区的激光L1，且对该激光L1进行空间上相位调制。因而，相较于输入紫外激光的情形，对空间光调制部10的动作的影响显著地减少。另外，波长转换部20，将从空间光调制部10输出的调制激光L2的波长转换成紫外区的波长。由此，能适当地输出空间上经相位调制的紫外激光L3。
另外，该光调制装置1A、1B通过像转移光学系统30，将空间光调制部10的相位调制面10a和波长转换部20的波长转换面20a以彼此光学上成为共轭系统的方式进行结合。由此，将在空间光调制部10的相位调制面10a对激光L1给予的相位分布，转移至波长转换部20的波长转换面20a，而能够在将所期望的相位分布赋予在调制激光L2的状态下进行波长转换。因而，根据本实施方式的光调制装置1A、1B，能将施加期望的相位调制后的紫外激光L3适当地输出。
另外，如本实施方式，空间光调制部10也可具有：液晶层14f，对应于施加电场的大小对激光L1的相位进行调制；取向膜14j及14k，配置于液晶层14f的两侧；及多个电极14d，设置于多个区域的各个，将使施加电场产生的电压施加于液晶层14f。当紫外激光透过这样的空间光调制部10的液晶层14f和取向膜14j及14k，液晶层14f和取向膜14j及14k逐渐地劣化。根据本实施方式的光调制装置1A、1B，由于将比紫外区更长的波长区的激光L1输入空间光调制部10，因此对液晶层14f和取向膜14j及14k的这样的影响减少，并且能适当地输出空间上经相位调制的紫外激光L3。
另外，如本实施方式，优选地，波长转换部20包含非线性光学结晶。由此，能将比紫外区更长的波长区的调制激光L2的波长适当地转换成紫外区的波长。
另外，如本实施方式，优选地，像转移光学系统30包含4f光学系统。由此，能将在空间光调制部10的相位调制面10a对激光L1给予的相位分布，适当地转移至波长转换部20的光入射面20a。
此处，图7是使用本实施方式的光调制装置1B产生文字图案作为实施例的结果的示意图。本实施例中，产生文字图案「H」、「P」、「K」及「HPK」，且使用设置在成像面46(参照图3)的光束剖面仪观察紫外激光L3(波长258nm)的生成图案的强度分布。进一步，测定从激光L1(波长515nm)到紫外激光L3(波长258nm)的波长转换效率。
其结果，在未进行相位调制的状态的波长转换效率为12.8％。相对于此，由相位调制产生文字图案「H」时的波长转换效率为9.2％，产生文字图案「P」时的波长转换效率为8.4％，产生文字图案「K」时的波长转换效率为8.6％。像这样，经确认由1个文字形成的文字图案中，能不严重损及波长转换效率而生成图案。
此外，产生文字图案「HPK」时的波长转换效率为1.8％。由SLM给予的相位调制量随着生成图案的复杂度而变大。由3个文字形成的文字图案「HPK」起因于空间间距的细微调制使得光的高角度散射成 分变多。由此，在像转移光学系统30转送调制激光L2时，对波长转换部20的非线性光学结晶的射入角大的成分的比例增加。
即，超过波长转换时容许的射入角的成分变多，由于这些成分对波长转换没有帮助，因此认为波长转换效率降低。如此地，生成图案变得复杂时，会有因为受到非线性光学结晶的容许角的限制而使得波长转换效率降低的情形。为了解决这种课题，例如，可以并用控制程序以限制预估到波长转换效率变成某一定値以下的相位调制。另外，例如，在给予既定的相位调制的状态下，以进行波长转换效率成为最大的非线性光学结晶的角度调整，因此能谋求减轻效率降低。
另外，本实施方式通过施加菲涅耳透镜状的相位调制，而能使紫外激光L3的聚光位置(成像位置)在光轴方向仅位移任意距离。这种成像位置的控制是例如在进行3维多点同时加工时所期望的功能。图8是菲涅耳透镜状的相位图案例的示意图。另外，图9是使用焦点距离为12m的菲涅耳透镜的相位图案进行相位调制的情形，且为显示点观察像的示意图。此外，图9中，图表G11显示横轴方向的光强度分布，图表G12表示纵轴方向的光强度分布。另外，该点观察像是从未进行相位调制时的成像位置起向聚光透镜侧移动22mm的位置所设置的光束剖面仪的观察像。如图9所示，确认到通过使用菲涅耳透镜状的相位图案进行相位调制，成像位置会在光轴方向变化。
另外，图10为将从BBO结晶的调制激光L2(波长515nm)朝紫外激光L3(波长258nm)的波长转换效率及与菲涅耳透镜状的相位图案的焦点距离的关系，予以作图的图表。图10中，横轴代表焦点距离(单位：公尺)，纵轴代表波长转换效率(单位：％)。如图10所示，了解到在焦点距离为10m以上时，能得到充分的波长转换效率。因而，在本构成中，在使用菲涅耳透镜状的相位图案时，优选为焦点距离为10m以上。但是，此适当的焦点距离的范围当然是根据建构的光学系统而变化。
此外，非线性光学结晶的高次谐波转换中，对光轴在垂直的面内存在有容许角大的轴方向和容许角小的轴方向。因而，通过仅对容许角大的轴方向进行相位调制，不使波长转换效率降低，能给予较大的相位调制。作为这种仅单轴方向进行相位调制的相位图案的例，有柱状透镜和一维衍射光栅。图11(a)及图11(b)为柱状透镜状的相位图案的 例的示意图。另外，图12为一维衍射光栅状的相位图案的例的示意图。
当使用柱状透镜状的相位图案时，与紫外激光L3的光轴方向垂直的剖面的形状形成为在单轴方向伸长的直线状。因而，能有效地进行对大面积的加工对象面的统括加工。另外，当使用一维衍射光栅状的相位图案时，能将紫外激光L3的光轴分歧成多个，因此适于多点同时加工等用途。如此地，即使在进行仅单轴方向的相位调制的情形，也能产生对各种加工用途有效的紫外激光L3。
图13是将使用焦点距离为8m的柱状透镜的相位图案进行相位调制的情形的观察像的示意图。此外，图13中，图表G21表示横轴方向的光强度分布，图表G22表示纵轴方向的光强度分布。另外，此观察像是在未进行相位调制时，设置在光束径成为50μm的位置的光束剖面仪的观察像。如图13所示，确认到通过使用柱状透镜状的相位图案进行相位调制，能适当地形成具有直线状剖面形状的紫外激光L3。此外，在与图13的横方向对应的方向，将具有曲率的柱状透镜状的相位图案进一步写入反射型SLM14时，相对于观测到的轮廓的纵方向的光束宽为50μm，横方向的光束宽为伸长至600μm。
图14为使用光栅间隔为200μm的二値衍射光栅的相位图案进行相位调制的情况的观察像的示意图。此观察像为在图3所示的成像面46所设置的光束剖面仪观察到的图像。如图14所示，由衍射而出现对应于1次衍射光的2个点P1及P2。这些点P1及P2是从0次位置P0位移到1.3mm左右横方向的位置所观测到的。
(变形例)
图15为作为上述实施方式的像转移光学系统30的变形例，像转移光学系统33的构成的示意图。该像转移光学系统33包含单一透镜34而构成，由该单一透镜34，将空间光调制部10的相位调制面10a和波长转换部20的光入射面(波长转换面)20a以彼此成为共轭系统的方式进行结合。具体而言，透镜34的焦点距离f、相位调制面10a和透镜34的距离f1、及透镜34和波长转换面20a的距离f2设定成满足以下关系式(1)。
[式1]
光调制装置1B也可取代图3所示的像转移光学系统30而具备图15所示的像转移光学系统33。在该情形下，也能适当地得到上述实施方式的效果。
(第2实施方式)
图16为本发明的第2实施方式的光调制装置的构成的概略示意图。本实施方式的光调制装置1C与第1实施方式的光调制装置1A同样地，具备空间光调制部10、波长转换部20及像转移光学系统30。在光调制装置1C，与光调制装置1A不同点在于，构成波长转换部20的非线性光学结晶，在光入射面一起接收从空间光调制部10输出的与调制激光L2不同的光束L4、和调制激光L2，通过产生调制激光L2和光束L4的和频率或差频率而产生紫外激光L3。根据这种构成，转换后可利用的波长数增加，并且能有效地避免波长转换效率的降低。
光束L4优选为从输入空间光调制部10之前的激光L1使其一部分分波的光。由此，使调制激光L2和光束L4完全地同步，能适当地产生超短脉冲的紫外激光L3。此外，光束L4也可以是在空间光调制部10转换途中的光。另外，也可将输入到空间光调制部10之前的激光L1作为光束L4而转换成适当的状态之后利用。
图17为作为上述光调制装置1C的具体例的光调制装置1D的示意图。图17所示的光调制装置1D除了图2所示的空间光调制部10、波长转换部20、像转移光学系统30、光源41、光束扩展器42及衰减器43以外，还具备光束分光镜51、反射镜52a～52d、光束扩展器54、衰减器55(波长板55a及偏光光束分光镜55b)、可变光学延迟系统56以及λ/2板57。
光束分光镜51配置于光源41的超短脉冲激光源41a和SHG转换单元41b之间，且使从超短脉冲激光源41a输出的激光L0的一部分分歧。此外，激光L0的波长例如1030nm。通过光束分光镜51将分歧的一方的激光L0由光束扩展器54及衰减器55调整成最适当的光束轮廓及光强度，通过可变光学延迟系统56之后再由λ/2板57调整成适当 的偏光，经由反射镜52d，作为光束L4射入波长转换部20的非线性光学结晶。非线性光学结晶中，产生利用例如非同轴的和频产生的波长343nm的紫外激光L3。
此处，为了适当地进行波长转换部20的波长转换，构成调制激光L2的光脉冲和构成光束L4的光脉冲，有必要在波长转换部20的非线性光学结晶上，以充分地重叠的程度使两光路间的光路长成为相同。本实施方式由于是使用超短脉冲，必须精密地进行将光路长调整成相同，因此利用可变光学延迟系统56。此外，在未设置有该可变光学延迟系统56的状态下，优选将可变光学延迟系统56插入光路长较短的光路，因此，可以是插入激光L1或调制激光L2的光路中的方式。
图17为显示上述光调制装置1C的一例，除此以外的构成当然也可以。例如，也可以是将激光L1设定为波长1030nm，将光束L4设定为波长515nm的光的构成。另外，在将激光L1设定为波长515nm的构成中，在利用波长515nm的激光L1的一部分作为光束L4时，通过产生和频而产生波长258nm的紫外激光L3。
根据本实施方式的光调制装置1C、1D，能达到与上述第1实施方式的光调制装置1A、1B同样的效果。另外，根据本实施方式，可将射入非线性光学结晶的紫外激光L3及光束L4中一方的容许角设定成较大。
本发明的波长转换型空间光调制装置并不限定于上述实施方式，可做其它各种变形。例如，上述实施方式为例示LCOS型作为空间光调制部，但本发明的空间光调制部不限定于此。例如，作为空间光调制部，也可使用能在多个个像素区域的各个让表面形状改变的区段型MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)镜。MEMS镜中，使利用各区段的凹凸所形成的表面形状成为用以将激光的波阵面进行调制的相位图案。另外，作为空间光调制部，也可使用可变形镜。可变形镜其表面形状成为相位图案。任何情形下，都具有能比使用空间光调制部单体的可调制的波长区获得更短波长的调制光的特征。
上述实施方式的波长转换型空间光调制装置具备以下构成：空间光调制部，具有相位调制面，其输入比紫外区更长的波长区的激光，且在二维排列的多个区域的各个对激光的相位进行调制而产生调制激 光；波长转换部，具有光入射面，该光入射面接收从空间光调制部输出的调制激光，且将调制激光的波长转换成紫外区的波长；及像转移光学系统，将空间光调制部的相位调制面和波长转换部的光入射面以彼此成为共轭系的方式进行结合。
另外，波长转换型空间光调制装置也可为以下构成；空间光调制部具有：液晶层，对应施加电场的大小而将激光的相位进行调制；取向膜，配置于液晶层的两侧；及多个电极，设置于多个区域的各个，对液晶层施加使施加电场产生的电压。当紫外激光透过这样的空间光调制部的液晶层和取向膜，液晶层和取向膜会逐渐地劣化。根据上述波长转换型空间光调制装置，将比紫外区更长的波长区的激光输入空间光调制部，因此对液晶层和取向膜的这种影响减少，并且能适当地输出空间上经相位调制的紫外激光。
另外，波长转换型空间光调制装置的波长转换部也可为包含非线性光学结晶的构成。由此，能将比紫外区更长的波长区的调制激光的波长适当地转换成紫外区的波长。在该情形，非线性光学结晶也可通过产生调制激光的高次谐波而将激光的波长转换成紫外区的波长。或者，波长转换部也可在光入射面接收与从空间光调制部输出的调制激光不同的光束、以及调制激光，使用调制激光和上述不同的光束将调制激光的波长转换成紫外区的波长。在该情形，波长转换部也可包含非线性光学结晶，通过产生调制激光和光束的和频或差频而将调制激光的波长转换成紫外区的波长。此外，优选上述不同的光束为从输入到空间光调制部之前的激光分歧的光。
另外，波长转换型空间光调制装置的像转移光学系统也可以是包含4f光学系统的构成。由此，能使在空间光调制部的相位调制面赋予激光的相位分布适当地转移至波长转换部的光入射面。
产业上的利用可能性
本发明适用于作为：能输出空间上经相位调制的紫外激光且能减少对空间光调制部的影响的波长转换型空间光调制装置。
符号说明
1A、1B、1C、1D：光调制装置
10：空间光调制部
10a：相位调制面
11：SLM模块
12：壳体
13：棱镜
14：反射型SLM
20：波长转换部
20a：光入射面(波长转换面)
30：像转移光学系统
31、32：透镜
33：像转移光学系统
34：透镜
41：光源
41a：超短脉冲激光源
41b：转换单元
42：光束扩展器
43：衰减器
44：聚光透镜
45：加工台
46：成像面
51：光束分光镜
54：光束扩展器
55：衰减器
56：可变光学延迟系统
57：λ/2板
A：加工对象物
L1：激光
L2：调制激光
L3：紫外激光

Claims (13)

1.一种波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
具备：
空间光调制部，具有相位调制面，其输入比紫外区更长的波长区的激光，且在二维排列的多个区域的各个对所述激光的相位进行调制并产生调制激光；
波长转换部，具有接收从所述空间光调制部输出的所述调制激光的光入射面，并将所述调制激光的波长转换成紫外区的波长；以及
像转移光学系统，将所述空间光调制部的所述相位调制面和所述波长转换部的所述光入射面，以彼此光学上成为共轭系统的方式进行结合。
2.如权利要求1所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述空间光调制部具有：
对应施加电场的大小而对所述激光的相位进行调制的液晶层；
配置于所述液晶层的两侧的取向膜；及
设置于所述多个区域的各个、且将产生所述施加电场的电压施加于所述液晶层的多个电极。
3.如权利要求1或2所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述波长转换部包含非线性光学结晶。
4.如权利要求3所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述非线性光学结晶通过产生所述调制激光的高次谐波而将所述调制激光的波长转换成紫外区的波长。
5.如权利要求1所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述波长转换部，在所述光入射面接收所述调制激光、以及与从所述空间光调制部输出的所述调制激光不同的光束，利用所述调制激光和所述光束将所述调制激光的波长转换成紫外区的波长。
6.如权利要求5所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述波长转换部包含非线性光学结晶，通过产生所述调制激光和所述光束的和频或差频，而将所述调制激光的波长转换成紫外区的波长。
7.如权利要求5或6所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述光束是从输入至所述空间光调制部之前的所述激光分波的光。
8.如权利要求1或2所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述像转移光学系统包含4f光学系统。
9.如权利要求3所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述像转移光学系统包含4f光学系统。
10.如权利要求4所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述像转移光学系统包含4f光学系统。
11.如权利要求5所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述像转移光学系统包含4f光学系统。
12.如权利要求6所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述像转移光学系统包含4f光学系统。
13.如权利要求7所述的波长转换型空间光调制装置，其特征在于，
所述像转移光学系统包含4f光学系统。
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