JP2003112279A

JP2003112279A - レーザ光照射装置

Info

Publication number: JP2003112279A
Application number: JP2001308966A
Authority: JP
Inventors: Koji Kuwabara; 皓二桑原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2003-04-15

Abstract

(57)【要約】【課題】均一な分布の光を複数の領域に所定の割合で
照射できるようにしたレーザ光照射装置を提供するこ
と。【解決手段】レーザ２〜５から夫々光ファイバ１０〜
１３と多モード光ファイバ１５、それにコリメータレン
ズ１７を介して供給されたレーザ光１８を、ビームスプ
リッタ１９〜２４で順次分岐させた上で、ビームホモジ
ナイザ２５〜３０を介して各試料３１〜３６に照射させ
るようにしたレーザ光照射装置において、ビームスプリ
ッタ１９〜２４として微小開口アレイ素子を用いたも
の。【効果】レーザ光の波長や偏光状態に関わらず、所定
の反射率(透過率)の確保と、均一な強度分布を実現でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外領域から紫外
領域にわたる波長の光を複数の試料に所定の強度比率で
分配照射する光照射装置に係り、特に生物に対する光学
作用を研究するために使用されるスペクトログラフに好
適なレーザ光照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】生物に対する光学作用を研究するために
使用される光照射装置はスペクトログラフと呼ばれる
が、この装置では、複数の試料に、強度を変えて同時に
光を照射することにり、照射光強度と発芽の関連性や、
照射光強度と育成過程の関連性が研究される。

【０００３】従って、このスペクトログラフでは、可視
光領域は勿論、赤外領域から紫外領域にわたる広い波長
領域で高い照射光強度をもつ光源が必要であるが、この
ためレーザ(レーザ発振器)を使用した装置が従来から知
られており、その例を特開２０００−３０４９８２号公
報の開示に見ることができる。

【０００４】そして、この公報では、複数の波長可変レ
ーザから発生させたレーザ光を光ファイバにより合成し
た上でビームスプリッタにより分割し、複数の試料に照
射するようにした照射装置について開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には、ス
ペクトログラフに必要な性能について充分な配慮がされ
ているとは言えず、以下の問題があった。ここで、スペ
クトログラフには、次のような性能が要求される。 (a) 広い波長範囲の光が照射できること。 (b) 試料面上での照射光強度が均一(±５％以下)に得ら
れること。 (c) 波長に関係なく、一定の照射比率を確保できるこ
と。しかし、従来技術では、これら(a)と(b)の性能を同時に
満足させることは、以下の理由により難しかった。

【０００６】通常のビームスプリッタは、その透過率と
反射率(＝１００％−透過率)を、ガラス基板上にコーテ
ィングすべき誘電体の膜厚と層数により調節しているた
め、図１３に示すように、透過率が波長や偏光方向によ
り変化してしまうという特性があり、このため、上述の
ような問題が生じてしまうのである。

【０００７】本発明の目的は、均一な分布の光を複数の
領域に所定の割合で照射できるようにしたレーザ光照射
装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、レーザ光を
ビームスプリッタで分岐して複数の試料に照射する方式
のレーザ光照射装置において、前記ビームスプリッタが
微小開口アレイ素子で構成することにより達成される。

【０００９】このとき、前記レーザ光が多モード光ファ
イバとコリメータレンズを介して前記ビームスプリッタ
に入射されるようにしても、上記目的が達成できる。

【００１０】本分岐方法では、反射光（透過光）が離散
的な分布となるので、複数段の光分岐では所定の反射率
を実現するのが難しいという問題がある。それで、先ず
レーザ光を多モード光ファイバに入射し、伝播させる。
多モード光ファイバは、コア径（レーザ光が伝播する部
分の直径）が大きいので、許されるモードの数が大き
く、結果として出射光の広がり角が大きくなる。そし
て、ファイバからの出射光をコリメートレンズで平行光
に戻した後、ビームスプリッタに入射させるようにし
た。そして、回折によるレーザ光の広がりによって反射
光（透過光）を離散的な分布から中実ビームに戻すよう
にした。

【００１１】

【発明の実施形態】以下、本発明によるレーザ光照射装
置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
ここで、まず、図１は、本発明によるレーザ光照射装置
の一実施形態で、図において、１はレーザ光照射装置全
体を表わす。

【００１２】このレーザ光照射装置１において、まず２
〜５は波長可変レーザ(レーザ発振器)で、具体的にはＴ
ｉＳａ(チタンサファイア)レーザ、色素レーザ、或い
は、これらレーザの第二高調波を発振するレーザ装置で
あって、夫々の発振波長は、３００ｎｍ〜１０００ｎｍ
と広範囲に亘っている。

【００１３】各レーザ２〜５から出射されたレーザ光６
〜９は、夫々の入射端１０Ａ〜１３Ａから各々の光ファ
イバ１０〜１３に入射される。このとき、これら４本の
単芯光ファイバ１０〜１３は、１個の出射端１４におい
て、相互に密着した状態で平行に纏められ、一体化され
ている。

【００１４】出射端１４から出射されたレーザ光は、次
いで所定の長さの多モード光ファイバ１５の一方の端部
から導入され、所定の距離伝播した後、このファイバ１
５の開口数(ＮＡ)により決まる広がり角のレーザ光１６
として、他方の端部から出射され、コリメートレンズ１
７に入射される。なお、図では、この多モード光ファイ
バ１５がループ状に描かれているが、特に意味はない。

【００１５】そして、このコリメートレンズ１７により
ほぼ平行光にされたレーザ光１８がビームスプリッタ１
９〜２４により順次分岐されて、各分岐経路毎にビーム
ホモジナイザ２５〜３０に入射され、夫々均一な強度分
布を有するレーザ光にされてから各試料３１〜３６に照
射される。

【００１６】次に、この図１の実施形態における各部の
機能について説明する。まず、出射端１４は、上記した
ように、複数本(ここでは４本)の単芯光ファイバ１０〜
１３が束ねられた部分である。

【００１７】従って、この出射端１４から出射されるレ
ーザ光は、夫々の中心軸と出射方向が異なった複数本に
分かれ、図２に示すように、出射光は多くのピークを有
する強度分布となる。ここで、この図２は、４本の単芯
光ファイバ１０〜１３の出射端１４から１５０ｍｍ離れ
た場所で測定したレーザ光の強度分布を示したものであ
る。

【００１８】次に、この図２に示す強度分布を有するレ
ーザ光は、多モード光ファイバ１５に導入される。そし
て、この中を通過することにより、図３に示すように、
ピークが１個で、ほぼ軸対称の強度分布を有するレーザ
光１６へと変化し、同時に広がり角も大きくされてから
コリメートレンズ１７に入射されるようになる。

【００１９】そして、このコリメートレンズ１７によ
り、ほぼ平行光にされたレーザ光１８がビームスプリッ
タ１９〜２４に順次、入射されるのであるが、ここで、
これらビームスプリッタ１９〜２４に必要な特性につい
て説明する。

【００２０】いま、このレーザ光照射装置１をスペクト
ログラフとして見た場合、試料３１〜３６毎に照射光強
度が変えられることが要求される。図４は、このときの
照射光強度の配分の一例で、この場合、試料３１の照射
光強度を１００とすると、後段の試料３２以降では、照
射光強度を順次５０％づつ低下させている。従って、試
料毎に照射光強度が低くなり、最終段の試料３６の照射
光強度は３.１となる。

【００２１】スペクトログラフでは、このようにして、
試料毎に照射光強度を変え、これにより、１回の実験操
作で、例えば照射光強度と植物の反応の関係が確認でき
るようにしているものであり、従って、ビームスプリッ
タ１９〜２４には、レーザ光１８の波長や偏光状態に関
係なく、一定の反射率(透過率)を有することが要求され
るのである。

【００２２】そこで、本発明では、反射率が波長や偏光
方向の影響を受けない光分岐手段として、微小開口アレ
イ素子(仮名)を用いたもので、この実施形態におけるビ
ームスプリッタ１９〜２４が、ここに言う微小開口アレ
イ素子であり、その一例を図５に示す。ここで、同図
(a)は正面図で、(b)は側断面図である。

【００２３】この図５に示したビームスプリッタ１９
(２０〜２４も同じ)は、ガラス基板３７の一方の表面に
金属薄膜３８を蒸着(コーティング)し、その後、エッチ
ングなどにより、金属薄膜３８に円形の微小な開口(ア
パーチャ)３９を多数個、格子状に配列してアレイとし
たもので、これが、ここにいう微小開口アレイ素子の名
称の由来である。ここで、この微小開口３９の形状につ
いては、円形が一般的であるが、四角形でもよく、五角
形以上の多角形でもよい。

【００２４】なお、このような微小開口アレイ素子は、
例えば米国のＣＯＨＥＲＥＮＴ社からは“広帯域ニュー
トラルビームスプリッタ”という商品名で市場に提供さ
れ、同じく米国のＥｄｍｕｎｄ社からは“ポルカドット
・ビームスプリッタ”という商品名で市場に提供されて
いるものである。

【００２５】このビームスプリッタ１９の場合、図１か
ら明らかなように、レーザ光１８は金属薄膜３８の表面
に約４５度の角度で斜めに入射されるが、このとき、レ
ーザ光１８が、ビームスプリッタ１９の微小開口３９が
存在している部分に入射されるか否かかより、反射され
るか、透過するかが決まる。

【００２６】従って、このときの反射光量と透過光量の
比率は、金属薄膜３８に占める微小開口３９の面積の割
合(開口率)によって決まるが、波長に依らず一定(金属
膜の反射率は、波長に対する依存性が少ないので)とな
る特性を持つ。

【００２７】従って、この実施形態によれば、レーザ光
１８の波長や偏光状態に関係なく、常に一定の反射率
(透過率)をビームスプリッタ１９〜２４に持たせること
ができる。

【００２８】しかし、ここで、自明のように、ビームス
プリッタ１９〜２４による反射光４０と透過光４１は、
図６、図７に示すように、穴明き状態、或いは離散的な
光強度分布となってしまうので、後段のビームスプリッ
タ２０〜２４では、反射率と透過率の比率が変化してし
まう虞れがある。

【００２９】そこで、この実施形態では、まず、第１
に、レーザ２〜５から出射されるレーザ光６〜９を光フ
ァイバ１０〜１３の出射端１４で一体化した後の経路に
多モード光ファイバ１５を設け、この中を伝播させるよ
うにしてある。

【００３０】ここで、この多モード光ファイバとは、コ
ア径(レーザ光が伝播する部分の直径)を大きくした光フ
ァイバのことで、伝播に許されるモードの数が大きく、
結果として出射光１６の広がり角を充分に大きくするこ
とができる。

【００３１】そして、この大きな広がり角を持った出射
光１６をコリメートレンズ１７によりほぼ平行にして大
きな断面積のレーザ光１８に戻した後、ビームスプリッ
タ１９に入射させ、回折によるレーザ光の広がりを利用
して、反射光４０と透過光４１が中実のビームに戻され
るようにしたものである。

【００３２】このことを図８により説明すると、各試料
３１〜３６上で均一な強度分布を実現するには、各ビー
ムスプリッタ１９〜２４で反射され、複数本の細いビー
ム状に分割された反射光４０が、ビームホモジナイザ２
５〜３０の入射端で、図示のように、中実のビームに戻
っていることが重要であり、同様に、透過光４１も、２
段目以降の各ビームスプリッタ２０〜２４に入射される
ときには中実のビームに戻っていることが重要である。

【００３３】ここで、ビームホモジナイザ２５〜３０
は、断面が四角形又は六角形の棒状レンズを複数本、平
行に束ねた構造を有しているレンズで、ハエ(蝿)の目レ
ンズとも呼ばれているものである。

【００３４】そして、このビームホモジナイザ２５〜３
０にレーザ光が入射されると、各棒状レンズにより複数
本の光ビームに分割された後、１個所に重畳して照射さ
れることになり、このため、各試料３１〜３６の照射面
で均一な光度分布が得られることになる。そこで、この
中実になったビームを実現するための条件を求めてみる
と、以下のようになる。

【００３５】いま、反射光４０の各ビームの広がり半角
をθ、ビームスプリッタ１９の微小開口３９の直径を２
a、ビームスプリッタ１９からビームホモジナイザ２５
の入射端までの距離をＬとすると、次の条件、すなわ
ち、Ｌ≧（a／tanθ）が満足されるようにしてやれば、
中実になったビームが得られる。

【００３６】なお、この図８では、微小開口３９の半径
をａで表しているが、実際にはビームスプリッタ１９が
４５度傾いているので、厳密にいえば、ａ／１.４１４
２が正しい。

【００３７】ここで、実用レベルで数値を求めてみる
と、次の通りで、まず、レーザ２〜５がＴｉＳａレーザ
であるとすると、発振波長は７８０ｎｍであり、このと
きビーム径は１ｍｍ、広がり半角θi は０.６ｍ rad(ラ
ジアン)とする。次に、ビームスプリッタ１９の微小開
口３９の直径２a は０.５２ｍｍとし(市販品の値)、多
モード光ファイバ１５は、コア径ｄが０.８ｍｍで、Ｎ
Ａは０.２とする。

【００３８】そうすると、レーザ光１８の直径Ｄ＝３０
ｍｍのとき、 θ＝(ｄ／Ｄ)×tan^-1(０.２)＝０.３０度となり、従って、Ｌ≧(a／tanθ)＝５０.６ｍｍとなる。ここで、多モード光ファイバからの出射光の広
がり角は、この光ファイバの開口数ＮＡだけで決まり、
入射されるレーザ光の広がり角θi には関係しない。

【００３９】また、以上のことは、透過光４１について
も同じであり、この場合は、距離Ｌは、前段のビームス
プリッタ(例えばビームスプリッタ１９〜２３の何れか)
から後段のビームスプリッタ(例えばビームスプリッタ
２０〜２４の何れか)までの距離となる。

【００４０】次に、具体例として、図９に、距離Ｌを１
５０ｍｍとした場合の、試料上でのレーザ光強度分布の
測定結果を示す。ここで、Ｌ＝１５０ｍｍとしたのは、
上記のＬ＝５０.６ｍｍは最低値であり、実際には２〜
３倍の距離にする必要があるからである。

【００４１】また、この図９には、上記と同じ仕様のレ
ーザから出射されたレーザ光を、ビームエキスパンダに
よりＤ＝３０ｍｍに拡大し、ビームスプリッタ１９で反
射させ、ビームホモジナイザ２５にＬ＝１５０ｍｍの条
件で入射させた場合の測定結果も一緒にビームエキスパ
ンダ方式として示し、参考値としているが、このビーム
エキスパンダ方式の場合、θ＝０.５×(１８０／π)×
(１／３０)度であり、従って、計算上は、Ｌ≧１５.６
ｍになってしまう。

【００４２】光ファイバを伝播させる上記実施形態の場
合、ビームホモジナイザ２５の入口で中実ビームになっ
ているので、図９から明らかなように、±３％以下のレ
ーザ光強度分布が実現できている。一方、ビームエキス
パンダ方式では、ビームホモジナイザの入口ではまだ中
実ビームになっていないため、図示のように、レーザ光
強度分布に大きな振幅を持ってしまう。

【００４３】ところで、この実施形態で採用されている
微小開口アレイ素子による光分岐方式は、アポダイゼー
ション(Apodization)による光分岐方式と呼ばれること
もあるが、この方式の場合、上記したように、ビームス
プリッタ１９〜２４に入射されるレーザ光の直径Ｄを大
きくすることが重要である。

【００４４】そして、このための手段として、この実施
形態のように、多モード光ファイバ内を伝播させる方法
が有用であることは以上の説明から明らかであるが、こ
こで、レーザ光の広がり角は、多モード光ファイバ内の
伝播では大きくなるが、ビームエキスパンダで拡大した
場合は反対に小さくなり、この結果、図９に示したよう
に大きな差が生じてしまうのである。

【００４５】次に、図１の実施形態において、ビームス
プリッタを３枚使用した場合の試料面上でのレーザ光強
度分布の測定結果の一例を図１０に示す。ここで、特性
(1)は１段目のビームスプリッタ１９による特性で、こ
の時の最大レーザ強度を１００％とする。

【００４６】そして、特性(2)は２段目のビームスプリ
ッタ２０による特性で、特性(3)は３段目のビームスプ
リッタ２０による特性であり、この場合、２段目以降で
のレーザ光強度は、順次、概略５０％、２５％になって
おり、均一な強度分布と、５０％きざみのレーザ光分岐
が実現されていることが判る。

【００４７】従って、以上の実施形態によれば、複数の
レーザ２〜５から出射されたレーザ光を、微小開口アレ
イ素子によるビームスプリッタ１９〜２４で分割して試
料３１〜３６に照射しているので、複数のレーザ２〜５
を用いたことによる強度の高い光を、各試料３１〜３６
の照射面では充分に均一な状態で、例えば図４に示すよ
うに、所定の任意の割合で照射することができる。

【００４８】このとき、微小開口アレイ素子による光分
岐の割合、つまり、反射光量と透過光量の比率は、図５
で説明したように、金属薄膜３８に占める微小開口３９
の面積の割合(開口率)によって決まるが、このとき、現
在のエッチング技法の精度からすれば、この開口率につ
いては極めて高い精度が容易に得られる。

【００４９】次に、本発明の他の実施形態について、図
１１により説明すると、これは、ビームスプリッタの配
置方法に関するもので、この実施形態では、ビームスプ
リッタ１９〜２４を、レーザ光１８の軸を中心にして、
１枚おきに角度Θだけ回転させて配置したものである。

【００５０】これは、各ビームスプリッタ１９〜２４
が、図５で説明した微小開口アレイ素子で、微小な円形
の開口３９が格子状に配列された構成になっているた
め、全てのビームスプリッタ１９〜２４が同一の方向、
すなわち角度Θ＝０度にした場合には、後段のビームス
プリッタになるほど同一パターンが多く繰り返され、回
折の影響が強くなって、均一な強度分布の実現が難しく
なる虞れがあるので、これを防止するためである。

【００５１】ここで、図１の実施形態と同じく、６枚の
ビームスプリッタ１９〜２４を使用し、最終段のビーム
ホモジナイザ３０に反射光が入射されたときのレーザ光
の強度分布の一例を図１２に示す。

【００５２】ここでは、角度Θが０度、３０度、４５度
の３種の特性が示されているが、このとき、１段目のビ
ームスプリッタ１９の開口の配列方向をΘ＝０度の基準
値とし、角度Θはレーザ光１８の中心軸の周りで回転す
る方向とする。

【００５３】この図１２に示されているように、角度Θ
＝０度のときは、レーザ光強度の振幅が１２％と大きく
なり、端部での分布は非対称になっているが、角度Θ＝
３０度と４５度では、振幅は約１／２の６〜７％にな
り、強度分布の対称性も確保されることが判る。

【００５４】これは、１段目のビームスプリッタ１９で
生じた強度分布の規則性が、２段目のビームスプリッタ
２０を回転させたことにより解消され、段数が多くなっ
ても規則性の影響が現れ難くなっているためであると考
えられている。

【００５５】なお、実際の配置では、図１から明らかな
ように、各ビームスプリッタ１９〜２４は、レーザ光１
８の中心軸に対して４５度の角度で斜めに設置してある
が、この図１１では、図の描画の都合上、入射角＝０度
になっている状態で描いてある。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、微小開口アレイ素子に
よるビームスプリッタによる離散的な光強度分布を有す
る反射光と透過光を、回折によるレーザ光の広がりによ
って中実ビームに戻すようにしたので、ビームホモジナ
イザとの組み合わせにより、レーザ光の波長や偏光状態
に関わらず、所定の反射率と透過率の確保と、均一な強
度分布が確実に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ光照射装置の一実施形態を
示す構成図である。

【図２】本発明の一実施形態のレーザ光経路の或る一部
における強度分布の一例を示す特性図である。

【図３】本発明の一実施形態のレーザ光経路の他の一部
における強度分布の一例を示す特性図である。

【図４】本発明の一実施形態における照射光強度の配分
の一例を示す説明図である。

【図５】本発明の一実施形態におけるビームスプリッタ
の一例を示す説明図である。

【図６】本発明の一実施形態におけるビームスプリッタ
による反射ビームの断面図である。

【図７】本発明の一実施形態におけるビームスプリッタ
による透過ビームの断面図である。

【図８】本発明の一実施形態におけるビームスプリッタ
による反射及び透過ビームの伝播状況の説明図である。

【図９】試料面上でのレーザ光強度分布の一例を示す特
性図である。

【図１０】複数の試料面上でのレーザ光強度分布の一例
を示す特性図である。

【図１１】本発明の他の一実施形態におけるビームスプ
リッタの配置状況を示す説明図である。

【図１２】本発明の他の一実施形態によるレーザ光強度
分布を示す特性図である。

【図１３】誘電体多層膜方式のビームスプリッタによる
透過特性の一例を示す特性図である。

【符号の説明】

１レーザ光照射装置２〜５可変波長レーザ６〜９出射レーザ光１０〜１３光ファイバ１０Ａ〜１３Ａ入射端１４出射端１５単芯の多モード光ファイバ１６レーザ光１７コリメートレンズ１８平行光になったレーザ光１９〜２４微小開口アレイ素子によるビームスプリッ
タ２５〜３０ビームホモジナイザ３１〜３６試料３７ガラス基板３８金属薄膜３９円形の微小な開口(アパーチャ) ４０反射光４１透過光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光をビームスプリッタで分岐して
複数の試料に照射する方式のレーザ光照射装置におい
て、前記ビームスプリッタが微小開口アレイ素子で構成され
ていることを特徴とするレーザ光照射装置。
【請求項２】請求項１に記載の発明において、前記レーザ光が多モード光ファイバとコリメータレンズ
を介して前記ビームスプリッタに入射されることを特徴
とするレーザ光照射装置。