DE112008000450T5

DE112008000450T5 - Lichtquellenvorrichtung, Beobachtungsvorrichtung und Verarbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112008000450T5
Application number: DE112008000450T
Authority: DE
Inventors: Taro Hamamatsu-shi Ando; Yoshiyuki Hamamatsu-shi Ohtake; Naoya Hamamatsu-shi Matsumoto; Takashi Hamamatsu-shi Inoue; Haruyoshi Hamamatsu-shi TOYODA; Norihiro Hamamatsu-shi Fukuchi
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: US20100103962A1; DE112008000450B4; WO2008105312A1; US8553733B2

Abstract

Lichtquellenvorrichtung, die umfasst:
eine Lichtquelle zum Ausgeben von kohärentem Licht; und
einen optischen Phasenmodulator zum Eingeben des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichtes, zum Phasenmodulieren des Lichtes entsprechend einer Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes und zum Ausgeben des phasenmodulierten Lichts,
wobei, wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt des in den optischen Phasenmodulator eingegebenen Lichtes festgelegt werden und die radiale Breite des Bereiches umso breiter ist, je weiter außen sich jede der (p + 1) Bereiche befindet, ein Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche konstant ist, und sich die Maße an Phasenmodulation zwischen zwei aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche (wobei p eine natürliche Zahl ist) um π voneinander unterscheiden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquellenvorrichtung zum Erzeugen von Licht mit einer vorgegebenen Phasenverteilung in einem Licht-Strahlquerschnitt, sowie eine Beobachtungsvorrichtung und eine Verarbeitungsvorrichtung, bei denen diese eingesetzt wird.
Technischer Hintergrund
Beim Beobachten eines Objektes oder Bearbeiten eines Werkstücks wird Licht, das von einer Lichtquelle, wie beispielsweise einer Laserlichtquelle, ausgegeben wird, über ein strahlendes optisches System, das Linsen usw. enthält, fokussiert und auf das Objekt oder Werkstück gestrahlt. Es ist bekannt, dass der Strahltaillendurchmesser, der ein Maß der Größe des Fokussierdurchmessers ist, wenn so fokussiertes Licht auf nur ungefähr eine Hälfte der Wellenlänge von Licht reduziert werden kann. Dies wird als Beugungsgrenze bezeichnet. Die Beugungsgrenze findet sich jedoch nur bei Gauß-Moden-Licht (oder Grundmoden-Licht). Es ist jedoch bekannt, dass Licht mit Moden hoher Ordnung existiert, das eine kleinere räumliche Struktur als die Beugungsgrenze hat.
Als Lichtstrahlen mit derartigen Eigenschaften sind Sessel-Strahlen, Laguerre-Gauß-Strahlen (im Folgenden als „LG-Strahlen” bezeichnet) und Polarisations-Moden-Strahlen bekannt. Der Einsatz derartiger Lichtstrahlen ermöglicht effektives Fokussieren der Energie von Licht auf einen kleinen Bereich, der kleiner ist als die Beugungsgrenze. In der Vergangenheit sind auf Basis dieses Prinzips Erfindungen, wie beispielsweise Pick-Up-Vorrichtungen, Mikrobearbeitungs-Technologien und Mikroskope, vorgeschlagen worden, die beim Einsatz von Sessel-Strahlen Auflösungen haben, die kleiner sind als die Beugungsgrenze.
Des Weiteren sind Lichtquellenvorrichtungen, die LG-Strahlen ausgeben, beispielsweise in den Nicht-Patentdokumenten 1 bis 6 beschrieben worden. Die in diesen Dokumenten beschriebenen Lichtquellenvorrichtungen erzeugen LG-Strahlen, deren Phasen sich entlang der Kreislinienrichtung in Lichtstrahl-Querschnitten ändern. Es wird erwartet, dass derartige LG-Strahlen bei optischen Pinzetten, Quantenberechnungen und Quantenkommunikation usw. eingesetzt werden, und ihnen ist in der Optik und Physik in jüngster Zeit Aufmerksamkeit zuteil geworden.

Nicht-Patentdokument 1: J. Arlt et al., Journal of Modern Optics, Vol. 45, Nr. 6, S. 1231–1237 (1998).
Nicht-Patentdokument 2: D. G. Grier, Nature, Vol. 424, S. 810–816 (2003).
Nicht-Patentdokument 3: M. W. Beijersbergen et al., Optics Communications, Vol. 112, S. 321–327 (1994).
Nicht-Patentdokument 4: K. Sueda, et al., Optics Express, Vol. 12, Nr. 15, S. 3548–3553 (2004).
Nicht-Patentdokument 5: N. R. Heckenberg et al., Optics Letters, Vol. 17, Nr. 3, S. 221–223 (1992).
Nicht-Patentdokument 6: N. R. Heckenberg et al., Optical and Quantum Electronics, Vol. 24, Nr. 24, S. 155–166 (1992).
Nicht-Patentdokument 7: K. S. Youngworth und T. G. Brown, Optics Express, Vol. 7, Nr. 2, S. 77–87 (2000).
Nicht-Patentdokument 8: R. Oron et al., Applied Physics Letters, Vol. 77, Nr. 21, S. 3322–3324 (2000).

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Bisher sind mehrere Lichtstrahlen bekannt gewesen, deren Mittel- bzw. Brennfleckdurchmesser (central spot diameters) im fokussierten Zustand kleiner sind als die Beugungsgrenze, jedoch haben alle diese Strahlen dahingehend Probleme mit sich gebracht, dass ein kompliziertes optisches System für die Erzeugung erforderlich ist oder der erzeugte Strahl geringe Qualität hat. Insbesondere Sessel-Strahlen sind Lichtstrahlen, die Eigenschaften haben, die denen von LG-Strahlen am ähnlichsten sind, mit derzeit bekannten Erzeugungsverfahren können jedoch nur annähernde Sessel-Strahlen erzeugt werden. Des Weiteren treten auch bei den herkömmlichen Verfahren zum Erzeugen annähernder Sessel-Strahlen Probleme hinsichtlich der optischen Verfahren auf. Das heißt, es ist ein Axicon erforderlich, um annähernde Sessel-Strichstrahlen zu erzeugen, und mit dem Axicon ist es schwer, ein hochgenaues Element zu erzeugen und in Funktion eine optische Achse einzustellen, und daher ist erheblicher technischer Aufwand erforderlich, um annähernde Bessel-Strahlen zu erzeugen, deren Qualität für den oben erwähnten Zweck ausreicht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lichtquellenvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, Licht auszugeben, das Superauflösungseigenschaften auf der gleichen Stufe wie die von Kessel-Strahlen hat und das Merkmale, wie Fokussiercharakteristiken und einfache Erzeugung, aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Beobachtungsvorrichtung, die es ermöglicht, ein Objekt bei hoher Auflösung unter Verwendung einer derartigen Lichtquellenvorrichtung zu beobachten, und eine Bearbeitungsvorrichtung zu schaffen, die Bearbeiten eines Werkstücks bei hoher Auflösung unter Verwendung einer derartigen Lichtquelle ermöglicht.
Mittel zum Lösen des Problems
Eine Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält (1) eine Lichtquelle zum Ausgeben von kohärentem Licht und (2) einen optischen Phasenmodulator zum Eingeben des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichts, zum Phasenmodulieren des Lichts entsprechend einer Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes und zum Ausgeben des phasenmodulierten Lichts. Des Weiteren ist bei der Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt des in den optischen Phasenmodulators eingegebenen Lichts festgelegt werden, und die radiale Breite des Bereichs umso breiter ist, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche befindet, ein Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche konstant, und die Maße an Phasenmodulation zwischen zwei benachbarten Bereichen der (p + 1) Bereiche unterscheiden sich um π voneinander. Dabei ist p eine natürliche Zahl.
Des Weiteren enthält eine Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (1) eine Lichtquelle zum Ausgeben von kohärentem Licht und (2) einen optischen Phasenmodulator zum Eingeben des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichts, zum Phasenmodulieren des Lichtes entsprechend einer Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes und zum Ausgeben des phasenmodulierten Lichtes, wobei ein Maß an Phasenmodulation in jedem Pixel auf Basis eines von außen eingegebenen Steuersignals für den optischen Phasenmodulator festgelegt wird. Des Weiteren ist bei der Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt des in den optischen Phasenmodulator eingegebenen Lichtes festgelegt werden und die radiale Breite des Bereiches umso breiter ist, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche befindet, das Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche konstant, und die Maße an Phasenmodulation zwischen aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche unterscheiden sich um π voneinander. Dabei ist p eine natürliche Zahl.
Des Weiteren sind eine beliebige Phase α und eine Phase (α + 2nπ) zueinander äquivalent, wobei n eine ganze Zahl ist, und für die Verteilung des Maßes an Phasenregulierung müssen nur relative Werte berücksichtigt werden, während Offset-Werte ignoriert werden können. Angesichts dessen kann das Maß an Phasenmodulation in dem optischen Phasenmodulator auf einen Bereich von der Phase α zu der Phase (α + 2nπ) begrenzt werden, und α kann als ein Wert 0 vorhanden sein.
Des Weiteren ist eine Beobachtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Beobachten eines Subjektes, und sie umfasst die oben erwähnte Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, ein strahlendes optisches System zum Fokussieren und Strahlen von von der Lichtquellenvorrichtung ausgegebenem Licht auf einen Beobachtungspunkt innerhalb des Objektes, eine Abtasteinheit zum abtastenden Bewegen des Beobachtungspunktes innerhalb des Objektes sowie ein optisches Erfassungssystem zum Erfassen von Licht, das aufgrund von Fokussieren und Strahlen von Licht auf den Beobachtungspunkt durch das strahlende optische System erzeugt wird.
Des Weiteren ist eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, und sie umfasst die Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie oben erwähnt ist, ein strahlendes optisches System zum Fokussieren und Strahlen von von der Lichtquellenvorrichtung ausgegebenem Licht auf den Bearbeitungspunkt innerhalb des Werkstücks, sowie eine Abtasteinheit zum abtastenden Bewegen des Bearbeitungspunktes innerhalb des Werkstücks.
Des Weiteren enthält eine Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (1) ein flächenemittierendes Laserelement zum Ausgeben von Laserlicht über eine Austrittsfläche, wobei das flächenemittierende Laserelement einen Resonator, der Laser-Oszillation bewirkt, und (2) eine optische Phasenmodulationseinheit zum Phasenmodulieren von eingegebenem Licht entsprechend einer Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes und zum Ausgeben des phasenmodulierten Lichtes, wobei die optische Phasenmodulationseinheit an der Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes oder in dem Resonator vorhanden ist. Des Weiteren ist bei der Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt des in die optische Phasenmodulationseinheit eingegebenen Lichtes festgelegt werden, und die radiale Breite des Bereiches um so breiter ist, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche befindet, ein Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche konstant, und die Maße an Phasenmodulation unterscheiden sich zwischen zwei aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche um π voneinander. Dabei ist p eine natürliche Zahl.
Bei der oben erwähnten Lichtquellenvorrichtung ist die Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes vorzugsweise so bearbeitet, dass sie die optische Phasenmodulationseinheit bildet, und des Weiteren ist die separat ausgebildete optische Phasenmodulationseinheit vorzugsweise an der Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes befestigt.
Effekte der Erfindung
Eine Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, Licht auszugeben, das Superauflösungseigenschaften auf der gleichen Stufe wie die von Bessel-Strahlen hat, und das Merkmale, wie Fokussiercharakteristik und einfache Erzeugung, aufweist. Des Weiteren ermöglicht der Einsatz der Lichtquellenvorrichtung Beobachtung eines Objektes bei hoher Auflösung und ermöglicht Verarbeitung eines Werkstücks bei hoher Auflösung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Konfigurationsschema einer Lichtquellenvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine Ansicht, die Phasenmodulation in einem Raum-Lichtmodulator 15 erläutert.
3 ist eine Ansicht, die Verteilungsbeispiele des Maßes an Phasenmodulation in dem optischen Phasenmodulator 15 zeigt.
4 ist eine Ansicht, die die Intensitätsverteilung in einem Strahlquerschnitt des auftreffenden und des reflektierten Lichtes in dem optischen Phasenmodulator 15 zeigt.
5 ist ein Konfigurationsschema einer Lichtquellenrichtung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
6 ist ein Konfigurationsschema einer Beobachtungsvorrichtung 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
7 ist ein Konfigurationsschema einer Bearbeitungsvorrichtung 4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
8 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung 101 gemäß einer dritten Ausführungsform.
9 ist eine Perspektivansicht der Lichtquellenvorrichtung 101 gemäß der dritten Ausführungsform.
10 ist eine Schnittansicht einer transmissiven optischen Phasenmodulationseinheit 120.
11 ist eine Perspektivansicht der transmissiven optischen Phasenmodulationseinheit 120.
12 ist eine Draufsicht auf die transmissive optische Phasenmodulationseinheit 120.
13 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung gemäß einer Abwandlung der dritten Ausführungsform.
14 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung 102 gemäß einer vierten Ausführungsform.
15 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung gemäß einer Abwandlung der vierten Ausführungsform.
16 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung 103 gemäß einer fünften Ausführungsform.
17 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung gemäß einer Abwandlung der fünften Ausführungsform.
18 ist eine Schnittansicht einer reflektiven optischen Phasenmodulationseinheit 170.
19 ist eine Schnittansicht einer reflektiven optischen Phasenmodulationseinheit 180.
20 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung des vorliegenden Beispiels.
Beschreibung von Bezugszeichen

1, 2 ... Lichtquellenvorrichtung, 3 ... Beobachtungsvorrichtung, 4 ... Bearbeitungsvorrichtung, 8 ... Objekt, 9 ... Werkstück, 10 ... Laserlichtquelle, 11, 12 ... konvexe Linse, 13 ... Apertur, 14 ... Strahlteiler, 15 ... optischer Phasenmodulator, 16 ... Spiegel, 17, 18 ... konvexe Linse, 19 ... CCD-Kamera, 20 ... optischer Phasenmodulator, 21 ... Spiegel, 30 ... Spiegel, 31 ... Strahlteiler, 32 ... Objektivlinse, 33 ... Filter, 34 ... Fotodetektor, 35 ... Steuereinheit, 36 ... Anzeigeeinheit, 37 ... Objekttisch, 101 bis 103 ... Lichtquellenvorrichtung, 110 ... flächenemittierendes Laserelement, 111 ... Substrat, 112 ... DBR-Schicht, 113 ... Mantelschicht, 114 ... Kernschicht, 115 ... aktive Schicht, 116 ... Kernschicht, 117 ... Mantelschicht, 118 ... DBR-Schicht, 120 ... optische Phasenmodulationseinheit, 121 ... erstes Medium, 122 ... zweites Medium, 130 ... flächenemittierendes Laserelement, 131 ... Substrat, 132 ... DBR-Schicht, 133 ... Mantelschicht, 134 ... Kernschicht, 135 ... aktive Schicht, 136 ... Kernschicht, 137 ... Mantelschicht, 138 ... DBR-Schicht, 140 ... optische Phasenmodulationseinheit, 141 ... erstes Medium, 142 ... zweites Medium, 150 ... flächenemittierendes Laserelement, 151 ... Substrat, 152 ... DBR-Schicht, 153 ... Mantelschicht, 154 ... Kernschicht, 155 ... aktive Schicht, 156 ... Kernschicht, 157 ... Mantelschicht, 158 ... DBR-Schicht, 160 ... optische Phasenmodulationseinheit, 161 ... erstes Medium, 162 ... zweites Medium, 170 ... reflektive optische Phasenmodulationseinheit, 171 ... erstes Medium, 172 ... zweites Medium, 180 ... reflektive optische Phasenmodulationseinheit, 181 ... erstes Medium, 182 ... zweites Medium, 191 ... P-Elektrode, 192 ... N-Elektrode.

Beste Ausführungsarten der Erfindung
Im Folgenden werden die besten Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei sind bei der Beschreibung der Zeichnungen identische Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet, um überlappende Beschreibungen zu vermeiden.
Zunächst wird eine erste Ausführungsform einer Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein Konfigurationsschema einer Lichtquellenvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die in dieser Figur gezeigte Lichtquellenvorrichtung 1 enthält eine Laserlichtquelle 10, eine konvexe Linse 11, eine konvexe Linse 12, eine Apertur 13, einen Strahlteiler 14, einen reflektiven optischen Phasenmodulator 15, einen Spiegel 16, eine konvexe Linse 17 und eine konvexe Linse 18. Des Weiteren ist in dieser Figur eine CCD-Kamera 19 zum Beobachten der Intensitätsverteilung in einem Strahlquerschnitt von Licht dargestellt, das von der konvexen Linse 18 ausgegeben wird.
Die Laserlichtquelle 10, die dazu dient, kohärentes Laserlicht auszugeben, ist beispielsweise eine He-Ne-Laserlichtquelle oder dergleichen. Die Linse 11 und die Linse 12, die als ein Strahlaufweiter arbeiten, empfangen Licht, das von der Laserlichtquelle 10 ausgegeben wird, um den Strahldurchmesser des Lichtes aufzuweiten und das Licht als Parallellicht auszugeben. Die Apertur 13 hat eine kreisförmige Öffnung, empfängt von der Linse 11 und der Linse 12 ausgegebenes Licht und gibt von einem Strahlquerschnitt des Lichtes ein Teil aus, der durch die Öffnung hindurchtritt. Der Strahlteiler 14 lässt einen Teil des von der Apertur 13 weitergeleiteten Lichtes durch, gibt dieses an den optischen Phasenmodulator 15 aus und reflektiert einen Teil des von dem optischen Phasenmodulators 15 weitergeleiteten Lichtes und gibt dieses an den Spiegel 16 aus.
Der optische Phasenmodulator 15 empfängt von der Laserlichtquelle 10 ausgegebenes und durch den Strahlteiler 14 hindurchgelassenes Licht, führt Phasenmodulation des Lichtes entsprechend der Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes durch und reflektiert das phasenmodulierte Licht zu dem Strahlteiler 14. Der optische Phasenmodulator 15 ist beispielsweise eine Vorrichtung (SLM: Spatial Light Modulator (räumlicher Modulator für Licht)), bei der das Maß an Phasenmodulation an jedem Pixel beim Reflektieren von Licht auf Basis eines von außen eingegebenen Steuersignals festgelegt wird. Wenn ein SLM als der optische Phasenmodulator 15 eingesetzt wird, ist es möglich, elektrisch eine räumliche Verteilung des Maßes an Phasenmodulation zu schreiben, wodurch je nach Notwendigkeit verschiedene Phasenmodulationsverteilungen möglich sind.
Der Spiegel 16 reflektiert von dem Strahlteiler 14 weitergeleitetes Licht und gibt das reflektierte Licht an die Linse 17 aus. Die Linse 17 und die Linse 18 empfangen durch den Spiegel 16 reflektiertes Licht, passen den Strahldurchmesser des Lichtes an und geben das angepasste Licht als ein Parallellicht aus. Die CCD-Kamera 19 empfängt das von der Linse 17 und der Linse 18 ausgegebene Licht und erfasst eine Lichtintensitätsverteilung in einem Strahlquerschnitt des Lichtes.
In der Lichtquellenvorrichtung 1 wird kohärentes Laserlicht, das von der Laserlichtquelle 10 ausgegeben wird, bezüglich des Strahldurchmessers durch die konvexe Linse 11 und die konvexe Linse 12 aufgeweitet und tritt dann teilweise durch die kreisförmige Öffnung der Apertur 13 in dem Strahlquerschnitt des Laserlichtes hindurch, so dass der Strahlquerschnitt kreisförmig wird, und wird weiter durch den Strahlteiler 14 hindurch gelassen und in den optischen Phasenmodulator 15 eingegeben. In den optischen Phasenmodulator 15 eingegebenes Licht durchläuft Phasenmodulation durch den optischen Phasenmodulator 15 entsprechend der Position in dem Strahlquerschnitt und wird reflektiert. Das durch den optischen Phasenmodulator 15 modulierte und reflektierte Licht wird von dem Strahlteiler 14 reflektiert, weiter von dem Spiegel 16 reflektiert, durch die konvexe Linse 17 und die konvexe Linse 18 bezüglich des Strahldurchmessers angepasst und auf eine Lichtempfangsfläche der CCD-Kamera 19 gerichtet, und eine Lichtintensitätsverteilung in dem Lichtstrahlquerschnitt wird durch die CCD-Kamera 19 erfasst.
Das Maß an Phasenmodulation, das reflektiertem Licht in dem optischen Phasenmodulator 15 verliehen wird, wird im Folgenden ausführlicher beschrieben. (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p, die durch p entsprechende Kreislinien mit Radien r₁ bis r_p abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, werden in einem Strahlquerschnitt von in den optischen Phasenmodulator 15 eingegebenem Licht festgelegt, wie dies in 2 dargestellt ist. Die Bereiche sind von innen her in der Reihenfolge A₀, A₁, A₂, ..., A_p vorhanden. Der Bereich A₀ ist ein Bereich innerhalb der Kreislinie mit einem Radius r₁. Der Bereich A_i ist ein Bereich zwischen der Kreislinien mit einem Radius r_i und der Kreislinien mit einem Radius r_i+1 (i = 1, 2, 3, ..., p – 1). Der Bereich A_p ist ein Bereich außerhalb der Kreislinie mit einem Radius r_p und innerhalb eines Lichtstrahls (Taillenradius w).
Dabei ist die radiale Breite des Bereiches umso größer, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p befindet. Das heißt, der folgende relationale Ausdruck gilt zwischen den Radien r₁ bis r_p. Des Weiteren hat der Bereich A₀, der sich an der am weitesten innenliegenden Seite befindet, den Radius r₁ als radiale Breite.
[Numerischer Ausdruck 1]

w – rp > rp – rp-1 > rp-1 – rp-2 > ... > r2 – r1 > r1 (1)

Des Weiteren ist das Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p konstant, und die Maße an Phasenmodulation unterscheiden sich zwischen zwei aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p um π voneinander. Das heißt, das Maß an Phasenmodulation ϕ₀ in jedem Bereich der geradzahligen Bereiche A₀, A₂, A₄, ... ist konstant. Auch das Maß an Phasenmodulation ϕ₁ in jedem Bereich der ungeradzahligen Berei che A₁, A₃, A₅, ... ist konstant. Weiterhin unterscheiden sich diese Maße der Phasenmodulation ϕ₀ und ϕ₁ um π voneinander.
Linien von Phasendiskontinuität, die durch die p Kreislinien mit Radien r₁ bis r_p ausgedrückt werden, die bezüglich der radialen Richtung r festgelegt werden müssen, werden wie folgt festgelegt. Die Linie der Phasenkontinuität ist an einem Teil (Knoten) vorhanden, an dem die Lichtintensität gleich 0 ist. Bei einer LG-Mode können die Knoten einer Lichtintensitätsverteilung anhand von Nullstellen Soninescher Polgnome bestimmt werden. Das heißt, es wird der Wert einer Variable z bestimmt, bei der ein Soninesches Polynom S_p ^q(z), das durch den folgenden Ausdruck (2) definiert wird, einen Wert 0 annimmt. Dabei ist p, das als ein radialer Exponent bezeichnet wird, eine nicht negative ganze Zahl. Des Weiteren ist q, das als ein azimutaler Exponent bezeichnet wird, eine beliebige ganze Zahl verschieden von 0. [Numerischer Ausdruck 2]
Das heißt, der azimutale Exponent q ist in der vorliegenden Ausführungsform als ein Wert 0 vorhanden. Dabei resultiert der oben stehende Ausdruck (2) in einem Laguerre-Polynom, das mit dem folgenden Ausdruck (3) ausgedrückt wird. Das Laguerre-Polynom ist ein Polynom p-ten Grades, das p verschiedene positive reelle Wurzeln a₁ bis a_p hat. Unter Verwendung dieser Wurzeln a_i und des Lichtstrahl-Taillenradius w werden die Radien r_i von Linien der Phasen-Diskontinuität mit dem folgenden Ausdruck (4) (i = 1, 2, 3, ..., p) ausgedrückt. [Numerischer Ausdruck 3]
[Numerischer Ausdruck 4]
Licht, das bei derartiger Phasenmodulation ϕ(r) durch den optischen Phasenmodulator 15 reflektiert wird, resultiert in einem LG-Strahl mit einem radialen Exponenten p und einem azimutalen Exponenten 0. Der LG-Strahl mit einer Variable θ mit festem Argument weist eine Differenz des Phasenwertes von π an Punkten auf, die zu zwei Bereichen gehören, die an einer Grenze der Linie der Phasen-Diskontinuität in Kontakt sind. Des Weiteren ist die radiale Breite des Bereiches umso breiter, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p befindet.
3 ist eine Ansicht, die Verteilungsbeispiele des Maßes der Phasenmodulation in dem optischen Phasenmodulator 15 zeigt. 3(a) zeigt eine Verteilung des Maßes an Phasenmodulation, wenn der radiale Exponent p mit 5 gegeben war. Des Weiteren zeigt 3(b) eine Verteilung des Maßes an Phasenmodulation, wenn der radiale Exponent p mit 10 gegeben war. In der Figur sind die Linien der Phasen-Diskontinuität mit Ausdruck (3) und Ausdruck (4) erzeugt worden, die oben aufgeführt sind, das Maß an Phasenmodulation ist in jedem schwarzen Bereich 0, und das Maß an Phasenmodulation in jedem grauen Bereich ist π. Je weiter außen sich jeder Bereich befindet, umso größer ist die radiale Breite des Bereiches.
4 ist eine Ansicht, die die Intensitätsverteilung in einem Strahlquerschnitt des auftreffenden Lichtes und des reflektierten Lichtes in dem optischen Phasenmodulator 15 zeigt. 4(a) zeigt die Intensitätsverteilung von auftreffendem Licht, und 4(b) zeigt die Intensitätsverteilung von reflektiertem Licht. Dabei war der radiale Exponent p mit 13 gegeben. Das heißt, 4(b) zeigt die Intensitätsverteilung eines LG-Moden-Strahls mit einem radialen Exponenten 13. Ordnung. In 4(b) ist, um eine Lichtstrahl-Querschnittsstruktur einfach beobachten zu können, Tonkorrektur durchgeführt worden. Dementsprechend scheint die Größe eines Mittelflecks (A₀ am weitesten innenliegend) beim Vergleich mit der Intensitätsverteilung (4(a)) von auftreffendem Licht auf der gleichen Stufe zu liegen wie die von auftreffendem Licht bei der Intensitätsverteilung von reflektiertem Licht, das ein LG-Strahl (4(b)) ist, jedoch ist der Fleck tatsächlich sehr klein.
Wenn ein derartiger LG-Strahl mit einem radialen Exponenten hoher Ordnung durch eine Linse fokussiert wird, ist es nicht möglich, den Strahltaillendurchmesser auf weniger als ungefähr eine Hälfte der Wellenlänge zu reduzieren (Beugungsgrenze). Da jedoch die innere Struktur eines LG-Moden-Strahls beibehalten wird, hat der Mittelfleck (Bereich A₀) eines LG-Moden-Strahls mit einem radialen Exponenten hoher Ordnung eine Größe, die auf einem Brennfleck kleiner ist als die Beugungsgrenze.
Ringe (Nebenkeulen, d. h. Bereiche A₁, A₂, A₃, ...), die um den Mittelfleck (Bereich A₀) herum vorhanden sind, weisen Verhalten wie in einem Sessel-Strahl auf, und der Einsatz eines Verfahrens, das bei Sessel-Strahlen etabliert ist, macht es auch möglich, ihren Einfluss zu reduzieren. Einem LG-Moden-Strahl mit einem radialem Exponenten hoher Ordnung ist eigen, dass die Größe des Mittelflecks (A₀) umso mehr reduziert werden kann, je größer der vorhandene radiale Exponent p ist.
Des Weiteren ist die Ausdehnung der Nebenkeulen (Bereiche A₁, A₂, A₃, ...) bei Bessel-Strahlen theoretisch unbegrenzt, während sie bei einem LG-Moden-Strahl mit einem radialen Exponenten hoher Ordnung begrenzt ist. Daher ist es, wenn der Durchmesser eines optischen Systems so festgelegt wird, dass die Nebenkeulen als Ganzes vollständig darin eingeschlossen sind, möglich, Charakteristiken des LG-Moden-Strahls mit einem radialem Exponent hoher Ordnung unter optimaleren Bedingungen zu nutzen.
Es folgt eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform einer Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 5 ist ein Konfigurationsschema einer Lichtquellenvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. Die in dieser Figur gezeigte Lichtquellenvorrichtung 2 enthält eine Laserlichtquelle 10, eine konvexe Linse 11, eine konvexe Linse 12, eine Apertur 13, einen transmissiven optischen Phasenmodulator 20, einen Spiegel 21, einen Spiegel 16, eine konvexe Linse 17 und eine konvexe Linse 18. Des Weiteren ist in dieser Figur eine CCD-Kamera 19 zum Beobachten der Lichtintensitätsverteilung in einem Strahlquerschnitt von Licht dargestellt, das von der konvexen Linse 18 ausgegeben wird. Im Vergleich zu dem Aufbau der in 1 gezeigten Lichtquellenvorrichtung 1 unterscheidet sich die in 5 gezeigte Lichtquellenvorrichtung darin, dass sie den transmissiven optischen Phasenmodulator 20 und den Spiegel 21 anstelle des Strahlteilers 14 und des reflektiven optischen Phasenmodulators 15 enthält.
Der optische Phasenmodulator 20 empfängt Licht, das von der Laserlichtquelle 10 ausgegeben und durch eine Öffnung der Apertur 13 hindurch gelassen wird, führt Phasenmodulation des Lichtes entsprechend der Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes durch und lässt das phasenmodulierte Licht zu dem Spiegel 21 durch. Der optische Phasenmodulator 20 ist eine Vorrichtung (SLM), bei der das Maß an Phasenmodulation jedes Pixels beim Durchlassen von Licht auf Basis eines von außen eingegebenen Steuersignals festgelegt wird. Wenn ein SLM als der optische Phasenmodulator 20 eingesetzt wird, ist es möglich, elektrisch eine räumliche Verteilung des Maßes an Phasenmodulation zu schreiben, wodurch je nach Notwendigkeit verschiedene Phasenmodulationsverteilungen möglich sind. Der Spiegel 21 reflektiert von dem optischen Phasenmodulator 20 durchgelassenes und ausgegebenes Licht und gibt das reflektierte Licht an den Spiegel 16 aus.
In der Lichtquellenvorrichtung 2 wird kohärentes Laserlicht, das von der Laserlichtquelle 10 ausgegeben wird, bezüglich des Strahldurchmessers durch die konvexe Linse 11 und die konvexe Linse 12 aufgeweitet und tritt dann teilweise durch die kreisförmige Öffnung der Apertur 13 in dem Strahlquerschnitt des Laserlichtes hindurch, so dass der Strahlquerschnitt kreisförmig wird, und wird in den optischen Phasenmodulator 20 eingegeben. In den optischen Phasenmodulator 20 eingegebenes Licht durchläuft Phasenmodulation durch den optischen Phasenmodulator 20 entsprechend der Position in dem Strahlquerschnitt und wird durchgelassen. Unter Phasenmodulation durch den optischen Phasenmodulator 20 durchgelassenes Licht wird von dem Spiegel 21 und dem Spiegel 16 reflektiert, durch die konvexe Linse 17 und die konvexe Linse 18 bezüglich des Strahldurchmessers angepasst und auf eine Lichtempfangsfläche der CCD-Kamera 19 gerichtet, und eine Lichtintensitätsverteilung des Licht-Strahlquerschnitts wird durch die CCD-Kamera 19 erfasst.
Das Maß an Phasenmodulation, das durchgelassenem Licht in dem transmissiven optischen Phasenmodulator 20 verliehen wird, ist das gleiche, wie das das reflektiertem Licht in dem reflektiven optischen Phasenmodulator verliehen wird. Das heißt, (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p, die durch jeweilige Kreislinien mit Radien r₁ bis r_p abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, werden in einem Strahlquerschnitt von in den optischen Phasenmodulator 20 eingegebenem Licht festgelegt. Die Bereiche sind von innen her in der Reihenfolge, A₀, A₁, A₂, ..., A_p vorhanden. Dabei ist die radiale Breite des Bereiches umso breiter, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p befindet. Das heißt, der oben stehende Ausdruck (1) gilt für die Radien r₁ bis r_p. Des Weiteren ist das Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p konstant, und die Maße der Phasenmodulation unterscheiden sich zwischen zwei aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p um π voneinander. Des Weiteren werden Linien von Phasen-Kontinuität, die durch die p Kreislinien mit Radien r₁ bis r_p ausgedrückt werden, die bezüglich der radialen Richtung r festgelegt werden müssen, mit den oben stehenden Ausdrücken (3) und (4) ermittelt.
Auch ist bei der so aufgebauten Lichtquellenvorrichtung 2 eine Verteilung des Maßes der Phasenmodulation in dem optischen Phasenmodulator 20, wie sie in 3 dargestellt ist, möglich, und eine Intensitätsverteilung in einem Strahlquerschnitt des auftreffenden Lichtes und des reflektierten Lichtes in dem optischen Phasenmodulator 20, wie sie in 4 darge stellt ist, ist möglich. Des Weiteren kann auch bei der Lichtquellenvorrichtung 2 der Mittelfleck (Bereich A₀) eines LG-Strahls mit radialem Exponenten hoher Ordnung eine Größe haben, die auf einem Brennfleck kleiner ist als die Beugungsgrenze.
Es folgt die Beschreibung einer Ausführungsform einer Beobachtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 6 ist ein Konfigurationsschema einer Beobachtungsvorrichtung 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die in dieser Figur gezeigte Beobachtungsvorrichtung 3 ist eine Vorrichtung zum Beobachten eines Objektes 8 und enthält des Weiteren neben dem Aufbau der Lichtquellenvorrichtung 1 mit Ausnahme der CCD-Kamera 19 des in 1 gezeigten Aufbaus als Bauelemente eines Rastermikroskops einen Spiegel 30, einen Strahlteiler 31, eine Objektivlinse 32, ein Filter 33, einen Fotodetektor 34, eine Steuereinheit 35, eine Anzeigeeinheit 36 und einen Objekttisch.
Der Spiegel 30 reflektiert von der Linse 18 ausgegebenes Licht und gibt das reflektierte Licht an den Strahlteiler 31 aus. Der Stahlteiler 31 empfängt von dem Spiegel 30 weitergeleitetes Licht und lässt das Licht zu der Objektivlinse 32 durch und empfängt von der Objektivlinse 32 weitergeleitetes Licht und reflektiert das Licht zu dem Filter 33. Die Objektivlinse 32 empfängt von dem Strahlteiler 31 weitergeleitetes Licht und fokussiert und strahlt das Licht auf einen Beobachtungspunkt des Objektes 8. Das heißt, das optische System von dem Spiegel 30 über den Strahlteiler 31 zu der Objektivlinse 32 bildet ein strahlendes optisches System zum Fokussieren und Strahlen von von der Lichtquellenvorrichtung 1 ausgegebenem Licht auf den Beobachtungspunkt in dem Objekt 8.
Des Weiteren empfängt die Objektivlinse 32 Licht, das aufgrund des Fokussierens und Strahlens von Licht auf den Beobachtungspunkt erzeugt wird, und gibt das Licht an den Strahlteiler 31 aus. Das Filter 33 empfängt das von dem Strahlteiler 31 weitergeleitete Licht und lässt selektiv Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich von dem Licht zu dem Fotodetektor 34 durch. Der Fotodetektor 34 empfängt von dem Filter 33 kommendes Licht und erfasst Intensität des Lichtes und gibt ein elektrisches Signal mit einem Wert entsprechend der erfassten Lichtintensität an die Steuereinheit 35 aus. Der Fotodetektor 34 ist vorzugsweise ein Fotoelektronenvervielfacher, ein sogenannter Photomultiplier, der ein hochempfindlicher Fotodetektor ist. Das heißt, das optische System von der Objektivlinse 32 über den Strahlteiler 31 und den Filter 33 zu dem Fotodetektor 34 bildet ein optisches Erfassungssystem zum Erfassen von Licht, das aufgrund des Fokussierens und Strahlens von Licht auf den Beobachtungspunkt durch das strahlende optische System erzeugt wird.
Die Steuereinheit 35 bewegt den Objekttisch 37, der das Objekt 8 trägt, um die Position des Beobachtungspunktes innerhalb des Objektes 8 zu ändern. Das heißt, die Steuereinheit 35 und der Objekttisch 37 bilden eine Abtasteinheit zum Abtasten des Beobachtungspunktes innerhalb des Objektes 8.
Des Weiteren führt die Steuereinheit 35 dem SLM 15 ein Steuersignal zum Einstellen des Maßes der Phasenmodulation jedes Pixels beim Reflektieren von Licht in dem SLM 15 zu und legt so, wie oben beschrieben, die Lichtintensitätsverteilung in einem Strahlquerschnitt von von der Lichtquellenvorrichtung 1 ausgegebenem Licht fest. Des Weiteren empfängt die Steuereinheit 35 ein von dem Fotodetektor 34 ausgegebenes elektrisches Signal und erzeugt ein zweidimensionales beobachtetes Bild des Objektes 5 aus einem Wert des elektrischen Signals und einer Positionsinformation des Beobachtungspunktes innerhalb des Objektes 8 und zeigt das Bild mit der Anzeigeeinheit 36 an.
In der Beobachtungseinheit 3 ist, wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, auf einem Strahlquerschnitt des Lichtes festgelegt werden, das ausgegeben wird, nachdem der Strahldurchmesser durch die konvexe Linse 17 und die konvexe Linse 18 in der Lichtquellenvorrichtung 1 angepasst worden ist, die radiale Breite des Bereiches umso breiter, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche befindet, und das Maß an Phasenmodulation ist in dem jedem der (p + 1) Bereiche gleich, und die Maße an Phasenmodulation unterscheiden sich zwischen zwei aneinandergrenzenden Bereiche der (p + 1) Bereiche um π voneinander.
Dann wird von der konvexen Linse 18 ausgegebenes Licht von dem Spiegel 30 reflektiert, durch den Strahlteiler 31 hindurchgelassen und durch die Objektivlinse 32 auf den Beobachtungspunkt innerhalb des Objektes 8 fokussiert und gestrahlt. Licht (gestreutes Licht, Fluoreszenz und dergleichen), das an dem Beobachtungspunkt aufgrund des Fokussierens und Strahlens von Licht erzeugt wird, wird von dem Strahlteiler 31 durch die Objektivlinse 32 reflektiert, durch das Filter 33 durchgelassen und von dem Fotodetektor 34 empfangen. Die empfangene Lichtintensität wird als ein elektrisches Signal von dem Fotodetektor 34 ausgegeben.
Des Weiteren wird die Position (Beobachtungspunkt) des Fokussierens und Strahlens von Licht über die Objektivlinse 32 auf das Objekt 8 durch die Steuereinheit 35 und den Objekttisch 37 abtastend verschoben. Durch das abtastende Verschieben wird Licht, das an jeder Position an dem Objekt 8 erzeugt wird, von dem Fotodetektor 34 empfangen. Dann wird ein zweidimensionales beobachtetes Bild des Objektes 8 durch die Steuereinheit 35 aus dem Wert eines von dem Fotodetektor 34 ausgegebenen elektrischen Signals und einer Positionsinformation des Beobachtungspunktes innerhalb des Objektes 8 erzeugt. Das Bild wird durch die Anzeigeeinheit 36 angezeigt.
Wenn ein LG-Moden-Strahl mit einem radialen Exponenten hoher Ordnung, der von der Lichtquellenvorrichtung 1 ausgegeben wird, durch die Objektivlinse 32 fokussiert wird, ist es, wie oben beschrieben, nicht möglich, den Gesamtstrahldurchmesser auf weniger als ungefähr die Hälfte der Wellenlänge zu verringern, jedoch wird die interne Struktur eines LG-Moden-Strahls aufrechterhalten. Dementsprechend hat bei der Beobachtungsvorrichtung 3 der Brennfleck (Beobachtungspunkt) durch die Objektivlinse 32, d. h. der Mittelfleck (Bereich A₀) eines LG-Moden-Strahls, eine Größe, die kleiner ist als die Beugungsgrenze. Daher ermöglicht Vorhandensein eines Schrittes des abtastenden Bewegens des Objektes 8 mit dem Objekttisch 37, der kleiner ist als die Größe des Mittelflecks (Bereich A₀) eines LG-Moden-Strahls, beim Strahlen auf das Objekt 8 Beobachtung des Objektes 8 mit einer sehr hohen Auflösung. Es ist vorteilhaft, den Objekttisch 37 unter Verwendung eines Piezo-Aktors oder dergleichen anzutreiben.
Des Weiteren hat die bisher beschriebene Beobachtungsvorrichtung 3 den Aufbau eines Laserscanning-Mikroskops, das rückgestrahltes Licht von dem Beobachtungspunkt mit der Objektivlinse 32 fokussiert und das Licht mit dem Fotodetektor 34 über das Filter 33 erfasst. Wenn das gestreute Licht erfasst wird, wird der Durchlasswellenlängenbereich des Filters 33 so festgelegt, dass die Wellenlänge von Bestrahlungs-Laserlicht abgedeckt wird. Eine optische Pick-up-Vorrichtung, ein Laserscanning-Ophthalmoskop und dergleichen können ebenfalls mit der gleichen Konfiguration realisiert werden. Abtastbewegung mit der Lichtquellenvorrichtung 1 kann anstelle von Abtastbewegung des Objektes 8 durchgeführt werden. Bei einem Laserscanning-Ophthalmoskop wird das Rastern mit der Lichtquelle 1 häufig durchgeführt. Ein Zweiphotonen-Rastermikroskop kann auch mit nahezu der gleichen Konfiguration realisiert werden, und in diesem Fall wird der Durchlasswellenlängenbereich des Filters 33 so festgelegt, dass eine Halbwellenlängenkomponente in Bezug auf die Laser-Bestrahlungswellenlänge durchgelassen wird. Des Weiteren ist die bisher beschriebene Beobachtungsvorrichtung vom Epi-Illuminations-Typ, jedoch kann auch eine Beobachtungsvorrichtung vom transmissiven Illuminations-Typ realisiert werden, indem eine Konfiguration eingesetzt wird, bei der eine Objektivlinse zur Bestrahlung und eine Objektivlinse zur Erfassung so angeordnet sind, dass sie einander über ein Objekt zugewandt sind. Die Lichtquellenvorrichtung 2 kann anstelle der Lichtquellenvorrichtung 1 eingesetzt werden.
Es folgt eine Beschreibung einer Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 7 ist ein Konfigurationsschema einer Bearbeitungsvorrichtung 4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die in dieser Figur gezeigte Bearbeitungsvorrichtung 4 ist eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks 9 und enthält des Weiteren neben dem Aufbau der Lichtquellenvorrichtung 1 mit Ausnahme der CCD-Kamera 19 von dem in 1 gezeigten Aufbau einen Spiegel 30, eine Objektivlinse 32, eine Steuereinheit 35 und einen Objekttisch 37.
Der Spiegel 30 reflektiert von der Linse 18 ausgegebenes Licht und gibt das reflektierte Licht an die Objektivlinse 32 aus. Die Objektivlinse 32 empfängt von dem Spiegel 30 weitergeleitetes Licht und fokussiert und strahlt das Licht auf einen Bearbeitungspunkt des Werkstücks 9. Das heißt, das optische System von dem Spiegel 30 zu der Objektivlinse 32 bildet ein strahlendes optisches System zum Fokussieren und Strahlen von von der Lichtquellenvorrichtung 1 ausgegebenem Licht auf den Bearbeitungspunkt an dem Werkstück 9.
Die Steuereinheit 35 bewegt den Objekttisch 37, der das Werkstück 9 trägt, um die Position des Bearbeitungspunktes an dem Werkstück 9 zu ändern. Das heißt, die Steuereinheit 35 und der Bewegungstisch 37 bilden eine Abtasteinheit zum abtastenden Bewegen des Bearbeitungspunktes an dem Werkstück 9. Des Weiteren führt die Steuereinheit 35 dem SLM 15 ein Steuersignal zum Festlegen des Maßes der Phasenmodulation jedes Pixels beim Reflektieren von Licht in dem SLM 15 zu und legt so, wie oben beschrieben, die Lichtintensitätsverteilung in einem Strahlquerschnitt von Licht fest, das von der Lichtquellenvorrichtung 1 ausgegeben wird.
In der Bearbeitungsvorrichtung 9 ist, wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt des ausgegebenen Lichtes nach Anpassung des Strahldurchmessers durch die konvexe Linse 17 und die konvexe Linse 18 in der Lichtquellenvorrichtung 1 festgelegt werden, die radiale Breite des Bereiches umso breiter, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche befindet, und das Maß an Phasenmodulation ist in jedem der (p + 1) Bereiche konstant, und die Maße an Phasenmodulation unterscheiden sich zwischen zwei aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche um π voneinander. Dann wird von der konvexen Linse 18 ausgegebenes Licht von dem Spiegel 30 reflektiert und durch die Objektivlinse 32 auf den Bearbei tungspunkt in dem Objekt 9 fokussiert und gestrahlt. Des Weiteren wird die Position (Bearbeitungspunkt) des Fokussierens und Strahlens von Licht von der Objektivlinse 32 auf das Werkstück 9 durch die Steuereinheit 35 und den Objekttisch 37 abtastend bewegt.
Wenn ein LG-Strahl mit einem radialen Exponenten hoher Ordnung, der von der Lichtquellenvorrichtung 1 ausgegeben wird, durch die Objektivlinse 32 fokussiert wird, ist es, wie oben beschrieben, unmöglich, den Gesamtstrahldurchmesser auf weniger als ungefähr eine Hälfte der Wellenlänge zu reduzieren, jedoch wird die interne Struktur eines LG-Strahls aufrechterhalten. Dementsprechend hat bei der Bearbeitungsvorrichtung 9 der Brennfleck (Bearbeitungspunkt) durch die Objektivlinse 32, d. h., der Mittelfleck (Bereich A₀) eines LG-Moden-Strahls eine Größe, die kleiner ist als die Beugungsgrenze. Daher ermöglicht Vorhandensein eines Schrittes des abtastenden Bewegens des Werkstücks 9 mit dem Objekttisch 37, der kleiner ist als die Größe des Mittelflecks (Bereich A₀) eines LG-Strahls, beim Strahlen auf das Werkstück 9 Bearbeitung (Verformen, Brechen usw.) des Werkstücks 9 mit einer sehr hohen Auflösung. Es ist vorteilhaft, den Objekttisch 37 unter Verwendung eines Piezo-Aktors oder dergleichen anzutreiben.
Obwohl Licht, das auf einen Bearbeitungspunkt des Werkstücks 9 fokussiert und gestrahlt wird, entweder kontinuierliches oder gepulstes Licht sein kann, ist es notwendig, dass es ausreichende Stärke hat, um den Bearbeitungspunkt zu bearbeiten. Die Lichtquellenvorrichtung 2 kann anstelle der Lichtquellenvorrichtung 1 eingesetzt werden.
Eine Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist bekannt und findet in der Beobachtungsvorrichtung und der Bearbeitungsvorrichtung, wie sie oben beschrieben sind, verbreitet Einsatz. Beispielsweise kann ein Superauflösungseffekt, der mit einem Sessel-Strahl realisiert werden kann, wie er bereits bekannt ist, durch die vorliegende Erfindung ersetzt werden.
Es folgt eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform einer Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 8 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung 101 gemäß der dritten Ausführungsform. 9 ist eine Perspektivansicht der Lichtquellenvorrichtung 101 gemäß der dritten Ausführungsform. Die in dieser Figur gezeigte Lichtquellenvorrichtung umfasst ein flächenemittierendes Laserelement 110 und eine transmissive optische Phasenmodulationseinheit 120. Das flächenemittierende Laserelement 110 ist ein Beispiel für eine Lichtquelle zum Ausgeben von kohärentem Licht. Die optische Phasenmodulationseinheit 120 ist ein Beispiel für einen optischen Phasenmodulator.
Das flächenemittierende Laserelement 110 weist eine DBR-Schicht 112, eine Mantelschicht 113, eine Kernschicht 114, eine aktive Schicht 115, eine Kernschicht 116, eine Mantelschicht 117 sowie eine DBR-Schicht 118 in dieser Reihenfolge auf einem Substrat 111 auf, und ein Resonator, der Laseroszillation bewirkt, besteht aus der DBR-Schicht 112 und der DBR-Schicht 118. Die DBR-Schicht 112 auf dem Substrat 111 weist starkes Reflektionsvermögen bei der Oszillationswellenlänge auf, und die andere DBR-Schicht 118 weist schwaches Reflektionsvermögen bei der Oszillationswellenlänge auf.
In dem flächenemittierenden Laserelement 110 wird Licht in die aktive Schicht 115 emittiert, wenn ein Ansteuerstrom zugeführt wird, und das Licht bewegt sich zwischen der DBR-Schicht 112 und der DBR-Schicht 118 hin und her und verursacht so eine induzierte Emission in der aktiven Schicht 115 und bewirkt Laseroszillation. Dann wird ein Teil des in dem Resonator zur Oszillation gebrachten Lichtes durch die DBR-Schicht 118 durchgelassen und über eine obere Austrittsfläche als Laserlicht ausgegeben.
Die optische Phasenmodulationseinheit 120 ist an der Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes 110 vorhanden, lässt Eingangslicht durch und unterzieht es entsprechend der Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes Phasenmodulation und gibt das phasenmodulierte Licht aus. Die optische Phasenmodulationseinheit 120 ist allgemein als eine Struktur realisiert, in der eine Vielzahl von Typen von Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes übereinander geschichtet sind, und kann in der einfachsten Form als eine Struktur realisiert werden, in der zwei Typen von Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex übereinander geschichtet sind.
10 ist eine Schnittansicht der optischen Phasenmodulationseinheit 120, 11 ist eine Perspektivansicht der optischen Phasenmodulationseinheit 120 und 12 ist eine Draufsicht auf die optische Phasenmodulationseinheit 120. Die optische Phasenmodulationseinheit 120 besteht aus einem ersten Medium 121 und einem zweiten Medium 122, die voneinander verschiedene Brechungsindizes haben. Eine obere Fläche des ersten Mediums 121 und eine untere Fläche des zweiten Mediums 122 sind parallel zueinander. Die untere Fläche des zweiten Mediums 122 ist in Kontakt mit der Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes 110. Das erste Medium 121 und das zweite Medium 122 bestehen beispielsweise aus einem transparenten Material, wie Glas oder einem Halbleiter, und es kann sich, wie in 11 und 12 gezeigt, um Gas oder Vakuum handeln. Die schraffierten Bereiche in 12 sind Regionen, die in das zweite Medium 122 eingelassen sind.
In der optischen Phasenmodulationseinheit 120 hat eine Grenze zwischen dem ersten Medium 121 und dem zweiten Medium 122 eine vertiefte und vorstehende Form mit einem Schrittmaß x, und jeder Vertiefungsabschnitt sowie vorstehende Abschnitt an der Grenze hat eine Form eines kreisförmigen Rings oder eines Kreises, der durch eine Vielzahl konzentrischer Kreise abgeteilt wird. Das Schrittmaß x und der Radius r₁, r₂, r₃, ... jedes der Vielzahl konzentrischer Kreis in der optischen Phasenmodulationseinheit 120 werden anhand einer Verteilung des Maßes an Phasenmodulation, die für Durchlasslicht gewährleistet werden muss, wie folgt bestimmt. Der Einfachheit halber ist „r₀ = 0” definiert.
Wie in 10 bis 12 dargestellt, sind (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p, die durch p jeweilige Kreislinien mit Radien r₁ bis r_p abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt von in die optische Phasenmodulationseinheit 120 eingegebenem Licht festgelegt. Die Bereiche sind von innen her der Reihe nach als A₀, A₁, A₂, ..., A_p vorhanden. Der Bereich A₀ ist ein Bereich innerhalb der Kreislinie mit einem Radius r₁. Der Bereich A_i ist ein Bereich zwischen der Kreislinie mit einem Radius r_i und der Kreislinie mit einem Radius r_i+1 (i = 1, 2, 3, ..., p – 1). Der Bereich A_p ist ein Bereich außerhalb der Kreislinie mit einem Radius rp und innerhalb eines Lichtstrahls (Taillenradius w).
Dabei ist die radiale Breite des Bereiches umso breiter, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p befindet. Das heißt, der oben aufgeführte relationale Ausdruck (1) gilt für die Radien r₁ bis r_p. Des Weiteren hat der Bereich A₀, der sich am weitesten innen befindet, den Radius r₁ als eine radiale Breite desselben.
Weiterhin ist das Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p konstant, und die Maße an Phasenmodulation unterscheiden sich zwischen zwei benachbarten Bereichen von den (p + 1) Bereichen A₀ bis A_p um π voneinander. Das heißt, das Maß an Phasenmodulation ϕ₀ in jedem Bereich der geradzahligen Bereiche A₀, A₂, A₄, ... ist konstant. Des Weiteren ist das Maß an Phasenmodulation ϕ₁ in jedem Bereich der ungeradzahligen Bereiche A₁, A₃, A₅, ... konstant. Weiterhin unterscheiden sich diese Maße an Phasenmodulation ϕ₀ und ϕ₁ um π voneinander.
Linien von Phasendiskontinuität, die durch die p Kreislinien mit Radien r₁ bis r_p ausgedrückt werden, die bezüglich der radialen Richtung r festgelegt werden müssen, werden wie folgt festgelegt. Die Linie der Phasen-Diskontinuität ist an einem Teil (Knoten) vorhanden, an dem die Lichtintensität gleich 0 ist. Bei einem LG-Mode können die Knoten einer Lichtintensitätsverteilung anhand von Nullstellen Soninescher Polgnome bestimmt werden. Das heißt, es wird der Wert einer Variable z bestimmt, bei der ein Soninesches Polynom S_p ^q(z), das durch den oben stehenden Ausdruck (2) definiert wird, einen Wert 0 hat. Dabei ist p, das als ein radialer Exponent bezeichnet wird, eine nicht negative ganze Zahl. Des Weiteren ist q, das als ein azimutaler Exponent bezeichnet wird, eine beliebige ganze Zahl.
Das heißt, der azimutale Exponent q ist in der vorliegenden Ausführungsform als ein Wert 0 vorhanden. Dabei resultiert der oben stehende Ausdruck (2) in einem Laguerre-Polynom, das mit dem oben stehenden Ausdruck (3) ausgedrückt wird. Das Laguerre-Polynom ist ein Polynom p-ten Grades, das p verschiedene positive reelle Wurzeln a₁ bis a_p hat. Unter Verwendung dieser Wurzeln a_i und des Lichtstrahl-Taillenradius w werden die Radien r_i Linien von Phasen-Diskontinuität mit dem oben stehenden Ausdruck (4) ausgedrückt (i = 1, 2, 3, ..., p).
Licht, das bei derartiger Phasenmodulation ϕ(r) durch den optischen Phasenmodulator (120) durchgelassen wird, ergibt einen LG-Moden-Strahl mit einem radialen Exponenten p und einen Exponenten 0 eines Arguments. Der LG-Moden-Strahl mit einem Argument θ in einem polaren Koordinatensystem, das auf einer Phasenverteilungsfläche stationär festgelegt ist, hat eine Differenz des Phasenwertes von π an Punkten, die zwei Bereiche betreffen, die an einer Grenze der Linie von Phasenkontinuität in Kontakt sind. Des Weiteren ist die radiale Breite des Bereiches umso breiter, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche A₀ bis A_p befindet.
Damit sich das Maß an Phasenmodulation ϕ₀ in jedem Bereich der geradzahligen Bereiche A₀, A₂, A₄, ... und das Maß an Phasenmodulation ϕ₁ in jedem Bereich der ungeradzahligen Bereiche A₁, A₃, A₅, ... um ein konstantes Maß Δϕ voneinander unterscheiden, wird das Schrittmaß x in der vertieften und vorstehenden Form an der Grenze zwischen dem ersten Medium 121 und dem zweiten Medium 122 in der optischen Phasenmodulationseinheit 120 auf einen Wert festgelegt, der mit dem folgenden Ausdruck (5) ausgedrückt wird. Dabei kennzeichnet n₁ den Brechungsindex des ersten Mediums 121, n₂ kennzeichnet den Brechungsindex des zweiten Mediums 122, und λ kennzeichnet die Wellenlänge von Licht in einem Vakuum. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Schrittmaß mit „Δϕ = π” bestimmt. [Numerischer Ausdruck (5)]
Licht, das von der Lichtquellenvorrichtung 101 ausgegeben wird, die, wie oben beschrieben aufgebaut ist, ist ein LG-Strahl mit einem radialen Exponenten p und einem azimutalen Exponenten 0. Wenn ein derartiger LG-Strahl mit einem radialen Exponenten hoher Ordnung durch eine Linse fokussiert wird, ist es unmöglich, den Gesamt-Strahldurchmesser auf weniger als ungefähr eine Hälfte der Wellenlänge zu reduzieren (Beugungsgrenze). Da jedoch die interne Struktur eines LG-Strahls aufrechterhalten wird, hat der Mittelfleck (Bereich A₀) eines LG-Strahls mit radialem Exponenten hoher Ordnung auf einem Brennfleck eine Größe, die kleiner ist als die Beugungsgrenze.
Ringe (Nebenkeulen, d. h. Bereiche A₁, A₂, A₃, ...), die um den Mittenfleck (Bereich A₀) herum vorhanden sind, weisen Verhalten wie in einem Kessel-Strahl auf, und der Einsatz eines Verfahrens, das sich für Sessel-Strahlen etabliert hat, ermöglicht es auch, ihren Einfluss zu verringern. Einem LG-Strahl mit einem radialen Exponenten hoher Ordnung ist eigen, dass die Größe des Mittenflecks (Bereich A₀) umso mehr verringert werden kann, je größer der vorhandene radiale Exponent p ist.
Des Weiteren ist Ausdehnung der Nebenkeulen (Bereiche A₁, A₂, A₃, ...) bei Sessel-Strahlen theoretisch unbegrenzt, während sie bei einem LG-Strahl mit einem radialen Exponenten hoher Ordnung begrenzt ist. Daher ist es, wenn der Durchmesser eines optischen Systems so festgelegt wird, dass die Nebenkeulen als Ganzes vollständig darin eingeschlossen sind, möglich, Charakteristiken des LG-Strahls mit einem radialen Exponenten hoher Ordnung unter optimaleren Bedingungen zu nutzen.
Dementsprechend kann die Lichtquellenvorrichtung 101 geeigneterweise in einer Beobachtungsvorrichtung zum Beobachten eines Objektes mit hoher Auflösung und einer Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit hoher Auflösung eingesetzt werden.
Des Weiteren kann auch in Erwägung gezogen werden, eine derartige Lichtquellenvorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls, mit dem ein Fokussierdurchmesser realisiert werden kann, der kleiner ist als die Beugungsgrenze, bei einer optischen Pick-up-Vorrichtung einzusetzen, die Schreiben oder Lesen von Daten auf bzw. von eine/r optische/n Platte durchführt, die Daten mit hoher Dichte aufzeichnen kann.
Herkömmlicherweise haben als Strahlen, mit denen Fokussierdurchmesser realisiert werden können, die kleiner sind als die Beugungsgrenze, hauptsächlich Sessel-Strahlen 0. Ordnung Beachtung gefunden. Es ist bekannt, dass ein Sessel-Strahl 0. Ordnung erzeugt wird, indem Licht mit einem Axicon fokussiert wird, und der Mittenfleckdurchmesser des Sessel-Strahls ist kleiner als die Beugungsgrenze. Ein Sessel-Strahl 0. Ordnung ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Schärfentiefe beim Fokussieren sehr tief ist, und dass er ein Lichtintensitätsmuster hat, das in einem breiten Bereich mit dem der Schärfentiefe eines normalen Strahls identisch ist. Diese Eigenschaft eines Sessel-Strahls wird auch als Nicht-Beugungs-Ausbreitung bezeichnet, die wünschenswert ist, wenn der Strahl für Bearbeitung mit einem hohen Seitenverhältnis und dergleichen eingesetzt wird, beim Lesen eines mehrschichtigen Aufzeichnungsmediums ist jedoch die Eigenschaft nicht von Vorteil, da sie die Fokussteuerung in der Tiefenrichtung erschwert.
Des Weiteren hat in den letzten Jahren eine radial polarisierte Mode (auch als R-TEM*-Mode bezeichnet, die eine der optischen Moden mit speziellen Polarisationszuständen ist) Aufmerksamkeit als ein Lichtstrahl gefunden, mit dem ein Fokussierdurchmesser realisiert wird, der bei High-NA-Fokussierung (Nicht-Patentdokument 7) kleiner ist als die Beugungsgrenze. Bei einem derartigen Lichtstrahl ändert sich jedoch die Polarisationsrichtung in Abhängigkeit von der Position in dem Strahl, und er eignet sich daher nicht zum Lesen eines Aufzeichnungsmediums unter Verwendung eines magnetooptischen Effektes. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in diesem Fall eine linear polarisierte oder elliptisch polarisierte Lichtquelle benötigt wird. Des Weiteren ist bei einem herkömmlichen Verfahren zum Erzeugen eines derartigen Strahls eine Konfiguration erforderlich, bei der ein doppeltbrechendes Medium in ein Lasermedium eingeführt wird, und daher ist die Vorrichtung zwangsläufig groß (Nicht-Patentdokument 8).
Basierend auf dem Obenstehenden kann, was den Einsatz bei einer optischen Pick-up-Vorrichtung angeht, gesagt werden, dass ein LG-Moden-Strahl mit einem Exponenten 0 des Arguments vorteilhaftere Eigenschaften aufweist als andere Lichtstrahlen, und zwar sowohl hinsichtlich der Ausbreitungseigenschaften als auch der Polarisationseigenschaften aufgrund von Fokussierung. Da jedoch die herkömmlichen Lichtquellenvorrichtungen zum Erzeugen von LG-Strahlen sämtlich groß sind, ist es schwierig, diese bei optischen Pick-up-Vorrichtungen einzusetzen, für die Verringerung der Größe erforderlich ist.
Hingegen kann die Größe der Lichtquellenvorrichtung 101 gemäß der dritten Ausführungsform verringert werden, da diese aus dem flächenemittierenden Laserelement 110 und der optischen Phasenmodulationseinheit 120 besteht, und daher kann sie geeigneterweise auch in einer optischen Pick-up-Vorrichtung eingesetzt werden, für die hohe Auflösung und Verringerung der Größe erforderlich sind.
Des Weiteren enthält die Lichtquellenvorrichtung 101 gemäß der dritten Ausführungsform, wie sie beschrieben wurde, das flächenemittierende Laserelement 110 und die optische Phasenmodulationseinheit 120, wobei die optische Phasenmodulationseinheit 120 an der Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes 110 vorhanden ist. Dabei kann die Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes 110 so bearbeitet sein, dass sie die optische Phasenmodulationseinheit 120 bildet, oder als Alternative dazu kann die separat ausgebildete optische Phasenmodulationseinheit 120, wie in 13 gezeigt, an der Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes 100 befestigt werden. In letzterem Fall wird die optische Phasenmodulationseinheit 120 beispielsweise mit einem Klebstoff an der Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes 110 angeklebt und befestigt.
Es folgt eine Beschreibung einer vierten Ausführungsform einer Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 14 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung 102 gemäß einer vierten Ausführungsform. Bei der Lichtquellenvorrichtung 102, die in dieser Figur dargestellt ist, ist eine optische Phasenmodulationseinheit 140 im Inneren eines Resonators eines flächenemittierenden Laserelementes 130 angeordnet.
Das flächenemittierende Laserelement 130 weist eine DBR-Schicht 132, eine Mantelschicht 133, eine Kernschicht 134, eine aktive Schicht 135, eine Kernschicht 136, eine Mantelschicht 137 und eine DBR-Schicht 138 in dieser Reihenfolge auf einem Substrat 131 auf, und ein Resonator, der Laser-Oszillation bewirkt, besteht aus der DBR-Schicht 132 sowie der DBR-Schicht 138. Die DBR-Schicht 132, die sich auf dem Substrat 131 befindet, weist starkes Reflektionsvermögen bei der Oszillations-Wellenlänge auf, und die andere DBR-Schicht 138 weist schwaches Reflektionsvermögen bei der Oszillations-Wellenlänge auf.
Die optische Phasenmodulationseinheit 140 ist zwischen der Mantelschicht 137 und der DBR-Schicht 138 des flächenemittierenden Laserelementes 130 vorhanden. Die optische Phasenmodulationseinheit 140 ist im Inneren des Resonators des flächenemittierenden Laserelementes 130 vorhanden, lässt Licht, das sich in dem Resonator ausbreitet, hindurch und führt Phasenmodulation desselben entsprechend der Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes durch und gibt das phasenmodulierte Licht aus. Die optische Phasenmodulationseinheit 140 ist im Allgemeinen als eine Struktur realisiert, in der eine Vielzahl von Typen von Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex übereinander geschichtet sind, und kann in der einfachsten Konfiguration als eine Struktur realisiert werden, bei der zwei Typen von Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex übereinander geschichtet sind.
Die optische Phasenmodulationseinheit 140 in der vierten Ausführungsform ist die gleiche wie die anhand von 10 bis 12 in der dritten Ausführungsform beschriebene optische Phasenmodulationseinheit 120, jedoch ist die Modulationseinheit 140 im Inneren des flächenemittierenden Laserelementes 130 ausgebildet und besteht daher vorzugsweise aus einem Halbleiter, bei dem es sich um das gleiche Material wie das des flächenemittierenden Laserelementes 130 handelt.
Bei der Lichtquellenvorrichtung 102 wird Licht in der aktiven Schicht 135 emittiert, wenn ein Ansteuerstrom zugeführt wird, und das Licht bewegt sich zwischen der DBR-Schicht 132 und der DBR-Schicht 138 hin und her und verursacht so eine induzierte Emission in der aktiven Schicht 135 und bewirkt Laser-Oszillation. Des Weiteren wird Licht, das durch die optische Phasenmodulationseinheit 140 durchgelassen wird, während sich das Licht in dem Resonator hin- und herbewegt, Phasenmodulation während des Durchlassens entsprechend der Position in einem Strahlquerschnitt unterzogen. Dann wird ein Teil des in dem Resonator oszillierenden Lichtes durch die DBR-Schicht 138 hindurchgelassen und über eine obere Austrittsfläche als Laserlicht ausgegeben.
Da die optische Phasenmodulationseinheit 140, wie in den oben stehenden Ausdrücken (1) bis (5) eingestellt ist, ist Licht, das von der Lichtquellenvorrichtung 102 ausgegeben wird, ein LG-Strahl mit einer radialen Exponente p und einem azimutalen Exponenten 0. Dementsprechend kann die Lichtquellenvorrichtung 102 geeigneterweise auch in einer Beobachtungsvorrichtung zum Beobachten eines Objektes mit hoher Auflösung und einer Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit hoher Auflösung eingesetzt werden. Des Weiteren kann die Größe der Lichtquellenvorrichtung 102 reduziert werden, da diese aus dem flächenemittierenden Laserelement 130 und der optischen Phasenmodulationseinheit 140 besteht, und daher kann sie geeigneterweise auch in einer optischen Pick-up-Vorrichtung eingesetzt werden, für die hohe Auflösung und Verringerung der Größe erforderlich sind.
Weiterhin enthält die beschriebene Lichtquellenvorrichtung 102 gemäß der vierten Ausführungsform die optische Phasenmodulationseinheit 140 in dem Resonator des flächenemit tierenden Laserelementes 130. Dabei kann die optische Phasenmodulationseinheit 140 im Verlauf des Herstellungsprozesses des flächenemittierenden Laserelementes 130 integral ausgebildet werden, oder als Alternative dazu können die separat ausgebildete optische Phasenmodulationseinheit 140 und die DBR-Schicht 138 an dem flächenemittierenden Laserelement 130 befestigt werden (wobei die DBR-Schicht 138 ausgeschlossen ist), wie dies in 15 dargestellt ist. In letzterem Fall wird die optische Phasenmodulationseinheit 140 beispielsweise mit einem Klebstoff an der Mantelschicht 137 des flächenemittierenden Laserelementes 130 angeklebt und befestigt.
Es folgt die Beschreibung einer fünften Ausführungsform einer Lichtquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 16 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung 103 gemäß einer fünften Ausführungsform. Bei der Lichtquellenvorrichtung 103, die in dieser Figur dargestellt ist, ist eine optische Phasenmodulationseinheit 160 im Inneren eines Resonators eines flächenemittierenden Laserelementes 150 vorhanden.
Das flächenemittierende Laserelement 150 weist eine DBR-Schicht 152, eine Mantelschicht 153, eine Kernschicht 154, eine aktive Schicht 155, eine Kernschicht 156, eine Mantelschicht 157 und eine DBR-Schicht 158 in dieser Reihenfolge auf einem Substrat 151 auf, und ein Resonator, der Laseroszillation bewirkt, besteht aus der DBR-Schicht 152 sowie der DBR-Schicht 158. Die DBR-Schicht 152, die sich auf dem Substrat 151 befindet, weist starkes Reflektionsvermögen bei der Oszillations-Wellenlänge auf, und die andere DBR-Schicht 158 weist schwaches Reflektionsvermögen bei der Oszillations-Wellenlänge auf.
Die optische Phasenmodulationseinheit 160 ist zwischen der DBR-Schicht 152 und der Mantelschicht 153 des flächenemittierenden Laserelementes 150 vorhanden. Die optische Phasenmodulationseinheit 160 ist im Inneren des Resonators des flächenemittierenden Laserelementes 150 vorhanden, lässt Licht, das sich in dem Resonator ausbreitet, durch und führt Phasenmodulation desselben entsprechend der Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes durch und gibt das phasenmodulierte Licht aus. Die optische Phasenmodulationseinheit 160 ist allgemein als eine Struktur realisiert, in der eine Vielzahl von Typen von Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex übereinander geschichtet sind, und kann in der einfachsten Konfiguration als eine Struktur realisiert werden, bei der zwei Typen von Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex übereinander geschichtet sind.
Die optische Phasenmodulationseinheit 160 in der fünften Ausführungsform ist die gleiche wie die anhand von 10 bis 12 beschriebene optische Phasenmodulationseinheit 120 in der dritten Ausführungsform, jedoch ist die Modulationseinheit 160 im Inneren des flächenemittierenden Laserelementes 150 ausgebildet und besteht daher vorzugsweise aus einem Halbleiter, bei dem es sich um das gleiche Material wie das des flächenemittierenden Halbleiters 150 handelt.
Bei der Lichtquellenvorrichtung 103 wird Licht in der aktiven Schicht 155 emittiert, wenn ein Ansteuerstrom zugeführt wird, und das Licht bewegt sich zwischen der DBR-Schicht 152 und der DBR-Schicht 158 hin und her und verursacht so eine induzierte Emission in der aktiven Schicht 155 und bewirkt Laser-Oszillation. Des Weiteren wird Licht, das durch die optische Phasenmodulationseinheit 160 durchgelassen wird, während sich das Licht in dem Resonator hin- und herbewegt, Phasenmodulation während des Durchlassens entsprechend der Position in einem Strahldurchmesser unterzogen. Dann wird ein Teil des in dem Resonator oszillierenden Lichtes durch die DBR-Schicht 158 durchgelassen und über eine obere Austrittsfläche als Laserlicht ausgegeben.
Da die optische Phasenmodulationseinheit 160, wie in den oben stehenden Ausdrücken (1) bis (5) eingestellt ist, ist Licht, das von der Lichtquellenvorrichtung 103 ausgegeben wird, ein LG-Moden-Strahl mit einem radialen Exponenten p und einem azimutalen Exponenten 0. Dementsprechend kann die Lichtquellenvorrichtung 103 geeigneterweise auch in einer Beobachtungsvorrichtung zum Beobachten eines Objektes mit hoher Auflösung und einer Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit hoher Auflösung eingesetzt werden. Des Weiteren kann die Größe der Lichtquellenvorrichtung 103 reduziert werden, da sie aus dem flächenemittierenden Laserelement 150 und der optischen Phasenmodulationseinheit 160 besteht, und daher kann sie geeigneterweise auch in einer optischen Pick-up-Vorrichtung eingesetzt werden, für die hohe Auflösung und Verringerung der Größe erforderlich sind.
Weiterhin enthält die beschriebene Lichtquellenvorrichtung 103 gemäß der fünften Ausführungsform die optische Phasenmodulationseinheit 160 im Inneren des Resonators des flächenemittierenden Laserelementes 150. Dabei kann die optische Phasenmodulationseinheit 160 im Verlauf des Herstellungsprozesses des flächenemittierenden Laserelementes 150 integral ausgebildet werden, oder als Alternative dazu können die separat ausgebildete optische Phasenmodulationseinheit 160 und die DBR-Schicht 152 an dem flächenemittierenden Laserelement 150 befestigt werden (in dem die DBR-Schicht 152 nicht enthalten ist), wie dies in 17 dargestellt ist. In letzterem Fall wird die optische Phasenmodulationseinheit 160 beispielsweise mit einem Klebstoff an der Mantelschicht 153 oder dem Sub strat 151 des flächenemittierenden Laserelementes 150 angeklebt und befestigt. Des Weiteren kann in letzterem Fall das Substrat 151 geschliffen werden, so dass es dünnwandig ist, oder eine Öffnung kann in einem Teil des Substrats 151 vorhanden sein.
(Abwandlung)
Die vorliegende Erfindung ist keinesfalls auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Weise abgewandelt werden. Beispielsweise kann die optische Phasenmodulationseinheit, die in den oben beschrieben Ausführungsformen Phasenmodulation von durchgelassenem Licht bewirkt, Phasenmodulation von reflektiertem Licht bewirken. Eine derartige reflektive optische Phasenmodulationseinheit kann in DBR-Schichten eingesetzt werden, die den Resonator eines flächenemittierenden Laserelementes bilden.
18 ist eine Schnittansicht einer reflektiven optischen Phasenmodulationseinheit 170. Die optische Phasenmodulationseinheit 170 besteht aus einem ersten Medium 171 und einem zweiten Medium 172. Eine Grenze zwischen dem ersten Medium 171 und dem zweiten Medium 172 dient als eine reflektierende Fläche. Die Grenze zwischen dem ersten Medium 171 und dem zweiten Medium 172 hat eine vertiefte und vorstehende Form mit einem Schrittmaß x, und jeder Vertiefungsabschnitt sowie jeder vorstehende Abschnitt an der Grenze hat die Form eines kreisförmigen Rings oder eines Kreises, der von einer Vielzahl konzentrischer Kreise abgeteilt wird. Der Radius r₁, r₂, r₃, ... jedes der Vielzahl konzentrischer Kreise in der optischen Phasenmodulationseinheit 170 ist wie in den oben stehenden Ausdrücken (1) bis (4) festgelegt. Bezüglich der Position, an der Licht, das von der Seite des ersten Mediums 171 auftrifft, an der Grenze reflektiert wird, wird das Schrittmaß x in der vertieften und vorstehenden Form an der Grenze zwischen dem ersten Medium 171 und dem zweiten Medium 172 auf einen Wert festgelegt, der mit dem folgenden Ausdruck (6) ausgedrückt wird, so dass sich die Maße an Phasenmodulation zwischen den aneinandergrenzenden Bereichen um ein konstantes Maß Δϕ voneinander unterscheiden. Dabei bezeichnet n₁ den Brechungsindex des ersten Mediums 171, n₂ bezeichnet den Brechungsindex des zweiten Mediums 172 und λ bezeichnet die Wellenlänge von Licht in einem Vakuum. Das Schrittmaß x wird mit „Δϕ = π” bestimmt. [Numerischer Ausdruck 6]
19 ist eine Schnittansicht einer reflektiven optischen Phasenmodulationseinheit 180. Die optische Phasenmodulationseinheit 180 besteht aus einem ersten Medium 181 und einem zweiten Medium 182. Eine untere Fläche des zweiten Mediums 182 dient als eine reflektierende Fläche. Auf die untere Fläche des zweiten Mediums 182 ist vorzugsweise Reflektionsbeschichtung aufgetragen. Die Grenze zwischen dem ersten Medium 181 und dem zweiten Medium 182 weist eine vertiefte und vorstehende Form mit einem Schrittmaß x auf, und jeder Vertiefungsabschnitt sowie jeder vorstehende Abschnitt an der Grenze hat eine Form eines kreisförmigen Rings oder eines Kreises, der durch eine Vielzahl konzentrischer Kreis abgeteilt wird. Der Radius r₁, r₂, r₃, ... jedes der Vielzahl konzentrischer Kreise in der optischen Phasenmodulationseinheit 180 wird wie in den oben stehenden Ausdrücken (1) bis (4) festgelegt. Bezüglich der Position, an der Licht, das von der Seite des ersten Mediums 181 auftrifft, an der Grenze reflektiert wird, wird das Schrittmaß x in der vertieften und vorstehenden Form an der Grenze zwischen dem ersten Medium 181 und dem zweiten Medium 182 in der optischen Phasenmodulationseinheit 180 auf einen Wert festgelegt, der durch den folgenden Ausdruck (7) ausgedrückt wird, so dass sich die Maße der Phasenmodulation zwischen den aneinandergrenzenden Bereichen um ein konstantes Maß Δϕ voneinander unterscheiden. Dabei bezeichnet n₁ den Brechungsindex des ersten Mediums 181, n₂ bezeichnet den Brechungsindex des zweiten Mediums 182, und λ bezeichnet die Wellenlänge von Licht in einem Vakuum. Das Schrittmaß x wird mit „Δϕ = n” bestimmt. [Numerischer Ausdruck 7]
(Beispiel)
Es folgt die Beschreibung einer Lichtquellenvorrichtung eines Beispiels. 20 ist eine Schnittansicht einer Lichtquellenvorrichtung des vorliegenden Beispiels. Die Lichtquellenvorrichtung des vorliegenden Beispiels entspricht einer Abwandlung der Konfiguration der oben beschriebenen dritten Ausführungsform. Bei der Lichtquellenvorrichtung des vorliegenden Beispiels ist das erste Medium 121 der optischen Phasenmodulationseinheit 120 Luft, und eine p-Elektrode 191 ist an dem zweiten Medium 122 der optischen Phasenmodulationseinheit 120 vorhanden, und eine n-Elektrode 192 ist an der Rückseite des Substrats 111 vorhanden. Des Weiteren sind keine Kernschichten 114 und 116 vorhanden.
Das Substrat 111 besteht aus n⁺-GaAs. Für die DBR-Schicht 112 werden n^–-GaAs (68 nm dick) und n^–-AlAs (82 nm dick) abwechselnd geschichtet, und die Anzahl von Schichten beträgt jeweils 20. Die Mantelschicht 113 besteht aus n^–-Al_0,45Ga_0,55As (71,5 nm dick). Die aktive Schicht 115 besteht aus In_0,2Ga₀ _, ₈As (8 nm dick). Die Mantelschicht 117 besteht aus p^–Al_0,45Ga_0,55As (71,5 nm dick). Für die DBR-Schicht 118 sind p^–-GaAs (68 nm dick) und p^–-AlAs (82 nm dick) abwechselnd geschichtet, und die Anzahl der Schichten beträgt jeweils 20. Das zweite Medium 122 besteht aus p⁺-GaAs (400 nm dick).
Die p-Elektrode 191 besteht aus einer Mehrfach-Metallschicht aus Cr (50 nm dick)/Au (150 nm dick) und ist an der Vorderseite des zweiten Mediums 122 der optischen Phasenmodulationseinheit 120 vorhanden und insbesondere in einer Ringform an dem äußersten Bereich der Vorderseite des zweiten Mediums 122 vorhanden, die in einer vertieften und vorstehenden Form ausgebildet ist. Die n-Elektrode 192 besteht aus einer Mehrfach-Metallschicht aus Au (100 nm dick)/AuGe (150 nm dick)/Ni (50 nm dick) und ist im Wesentlichen über die gesamte Rückseite des Substrats 111 vorhanden.
Die Vorderseite des zweiten Mediums 122 der optischen Phasenmodulationseinheit 120 hat eine vertiefte und vorstehende Form mit einem Schrittmaß x, und jeder Vertiefungsabschnitt sowie jeder Vorsprungsabschnitt an der Grenze hat die Form eines kreisförmigen Rings oder eines Kreises, der durch eine Vielzahl konzentrischer Kreise abgeteilt wird. Der Radius jedes der Vielzahl konzentrischer Kreise und das Schrittmaß x werden, wie oben beschrieben, bestimmt. Das zweite Medium 122 der optischen Phasenmodulationseinheit 120 hat einen Brechungsindex von 3,5, und das Schrittmaß x beträgt 196 nm.
Das Intervall zwischen der DBR-Schicht 112 und der DBR-Schicht 118 (d. h. die Hohlraumlänge des Resonators) y wird auf Basis des Brechungsindex und der Oszillations-Wellenlänge dazwischen bestimmt. Die Mantelschichten 113 und 117 haben jeweils einen Brechungsindex von 3,25, und das Intervall y beträgt 151 nm. Des Weiteren wird in jeder der DBR-Schichten 112 und 118 die Dicke jeder der GaAs- und AlAs-Schichten so festgelegt, dass die Bragg-Reflektions-Wellenlänge der Oszillations-Wellenlänge gleich ist.
Wenn bei der so konfigurierten Lichtquellenvorrichtung des vorliegenden Beispiels ein Ansteuerstrom zwischen der Elektrode 191 und der Elektrode 192 zugeführt wird, wird Licht in der aktiven Schicht 115 emittiert, und das Licht bewegt sich zwischen der DBR-Schicht 112 und der DBR-Schicht 118 hin und her und verursacht eine induzierte Emission in der aktiven Schicht 115 und bewirkt Laser-Oszillation. Dann wird ein Teil des in dem Resonator oszillierenden Lichtes durch die DBR-Schicht 118 hindurchgelassen und über eine obere Austrittsfläche als Laserlicht mit einer Wellenlänge von 890 nm ausgegeben. Das Laserlicht durchläuft Phasenmodulation durch das zweite Medium 122 der optischen Phasenmodulationseinheit 120 entsprechend der Position an einem Strahlquerschnitt und wird als ein LG-Strahl mit einem azimutalen Exponenten 0 ausgegeben.
Zusammenfassung
Lichtquellenvorrichtung, Beobachtungsvorrichtung und Verarbeitungsvorrichtung
Lichtquellenvorrichtung, Beobachtungsvorrichtung und Verarbeitungsvorrichtung Eine Lichtquellenvorrichtung 1 enthält eine Laserlichtquelle 10 und einen optischen Phasenmodulator 15 oder dergleichen. Der optische Phasenmodulator 15 empfängt kohärentes Licht, das von der Laserlichtquelle 10 ausgegeben und durch einen Strahlteiler 14 hindurchgelassen wird, führt Phasenmodulation des Lichtes entsprechend der Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes durch und gibt das phasenmodulierte Licht an den Strahlteiler 14 aus. Wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt von in den optischen Phasenmodulator 15 eingegebenem Licht festgelegt werden und die radiale Breite des Bereiches umso breiter ist, je weiter Abtasteinheit zum abtastenden Bewegen außen sich jeder der (p + 1) Bereiche befindet, ist das Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche konstant und die Maße an Phasenmodulation zwischen zwei aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche unterscheiden sich um π voneinander.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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- R. Oron et al., Applied Physics Letters, Vol. 77, Nr. 21, S. 3322–3324 (2000) [0004]

Claims

Lichtquellenvorrichtung, die umfasst: eine Lichtquelle zum Ausgeben von kohärentem Licht; und einen optischen Phasenmodulator zum Eingeben des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichtes, zum Phasenmodulieren des Lichtes entsprechend einer Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes und zum Ausgeben des phasenmodulierten Lichts, wobei, wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt des in den optischen Phasenmodulator eingegebenen Lichtes festgelegt werden und die radiale Breite des Bereiches umso breiter ist, je weiter außen sich jede der (p + 1) Bereiche befindet, ein Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche konstant ist, und sich die Maße an Phasenmodulation zwischen zwei aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche (wobei p eine natürliche Zahl ist) um π voneinander unterscheiden.
Lichtquellenvorrichtung, die umfasst: eine Lichtquelle zum Ausgeben von kohärentem Licht; und einen optischen Phasenmodulator zum Eingeben des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichtes, zum Phasenmodulieren des Lichtes entsprechend einer Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes und zum Ausgeben des phasenmodulierten Lichtes, wobei ein Maß an Phasenmodulation in jedem Pixel auf Basis eines von außen eingegebenen Steuersignals für den optischen Phasenmodulator festgelegt wird, wobei, wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt des in den optischen Phasenmodulator eingegebenen Lichtes festgelegt werden und die radiale Breite des Bereiches umso breiter ist, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche befindet, das Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche konstant ist und sich die Maße an Phasenmodulation zwischen zwei aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche (wobei p eine natürliche Zahl ist) um π voneinander unterscheiden.
Beobachtungsvorrichtung zum Beobachten eines Objektes, wobei die Beobachtungsvorrichtung umfasst: die Lichtquelle nach Anspruch 2; ein strahlendes optisches System zum Fokussieren und Strahlen von von der Lichtquellenvorrichtung ausgegebenem Licht auf einen Beobachtungspunkt innerhalb des Objektes, eine Rastereinheit zum Rastern des Beobachtungspunktes innerhalb des Objektes, und ein optisches Erfassungssystem zum Erfassen von Licht, das aufgrund von Fokussieren und Strahlen von Licht auf den Beobachtungspunkt durch das strahlende optische System erzeugt wird.
Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, wobei die Bearbeitungsvorrichtung umfasst: die Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 2; ein strahlendes optisches System zum Fokussieren und Strahlen von von der Lichtquellenvorrichtung ausgegebenem Licht auf einen Bearbeitungspunkt innerhalb des Werkstücks; und eine Rastereinheit zum Rastern des Bearbeitungspunktes innerhalb des Werkstücks.
Lichtquellenvorrichtung, die umfasst: ein flächenemittierendes Laserelement zum Ausgeben von Laserlicht über eine Austrittsfläche, wobei das flächenemittierende Laserelement einen Resonator hat, der Laseroszillation bewirkt, und eine optische Phasenmodulationseinheit zum Phasenmodulieren von eingegebenem Licht entsprechend einer Position in einem Strahlquerschnitt des Lichtes und zum Ausgeben des phasenmodulierten Lichtes, wobei die optische Phasenmodulationseinheit an der Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes oder in dem Resonator vorhanden ist, wobei, wenn (p + 1) Bereiche, die durch p Kreislinien abgeteilt werden, die auf eine vorgegebene Position zentriert sind, in einem Strahlquerschnitt des in die optische Phasenmodulationseinheit eingegebenen Lichtes festgelegt werden und die radiale Breite des Bereiches umso breiter ist, je weiter außen sich jeder der (p + 1) Bereiche befindet, ein Maß an Phasenmodulation in jedem der (p + 1) Bereiche konstant ist und sich die Maße der Phasenmodulation zwischen aneinandergrenzenden Bereichen der (p + 1) Bereiche (wobei p eine natürliche Zahl ist) um π voneinander unterscheiden.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes so bearbeitet ist, dass sie die optische Phasenmodulationseinheit bildet.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die separat ausgebildete optische Phasenmodulationseinheit an der Austrittsfläche des flächenemittierenden Laserelementes befestigt ist.