JP2006071855A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 １本のパルスレーザ光を２本のパルスレーザ光に分岐させ、分岐されて得られた２本のパルスレーザ光の一方を他方に対して遅延させて出射させる光学装置の汎用性を向上させる。
【解決手段】 光源１がＰＢＳ４に対してＰ偏光である主パルスレーザ光Ｌを出射する。１／４波長板２に主パルスレーザ光Ｌが入射する。保持機構３は１／４波長板２を回転させ得る。これにより、１／４波長板２から出射する主パルスレーザ光のＳ偏光成分とＰ偏光成分の強度比を変化させ得る。ＰＢＳ４が１／４波長板２を通過した主パルスレーザ光ＬをＳ偏光たる第１のパルスレーザ光Ｌ_ＳとＰ偏光たる第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐとに分岐させる。第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐは遅延光路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄを経由するので、第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐの試料面Ｐへの到達時点が、第１のパルスレーザ光Ｌ_Ｐの試料面Ｐへの到達時点よりも遅延する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、１本のパルスレーザ光を２本のパルスレーザ光に分岐させ、分岐させて得られた２本のパルスレーザ光を一方が他方に対して遅延する条件で出射させることのできる光学装置に関する。

特許文献１に、１本の主パルスレーザ光を第１及び第２のパルスレーザ光に分岐させる分岐用部分反射鏡と、分岐されて得られた第１及び第２のパルスレーザ光の光路を合成する合成用部分反射鏡とを備え、第１のパルスレーザ光が分岐用部分反射鏡から合成用部分反射鏡までに経由する第１の光路の光路長を、第２のパルスレーザ光が分岐用部分反射鏡から合成用部分反射鏡までに経由する第２の光路の光路長よりも長く設計した光学装置が開示されている。合成用部分反射鏡によって光路を合成された第１及び第２のパルスレーザ光が入射する位置に、アニール対象物が配置される。

この光学装置によれば、第１の光路の光路長を第２の光路の光路長よりも長く設計しているので、第１のパルスレーザ光がアニール対象物表面へ到達する時点を、第２のパルスレーザ光がアニール対象物表面へ到達する時点よりも遅延させることができる。その遅延時間が第１のパルスレーザ光のパルス幅と等しくなるような構成とすることにより、アニール対象物表面において、主パルスレーザ光のパルス幅の２倍のパルス幅をもつパルスレーザ光が得られる。このようにして、パルスレーザ光のパルス幅を伸長させることにより、アニールの加工品質を向上させ得ることが示されている。

特開平５−３１３５４号公報

上記光学装置は、特定のアニール処理の専用装置として用いるには充分であるが、分岐されて得られる第１及び第２のパルスレーザ光の強度比等の条件を柔軟に変更することができないため、その汎用性を向上させることに関して改善の余地がある。

本発明の目的は、１本のパルスレーザ光を２本のパルスレーザ光に分岐させ、分岐させて得られた２本のパルスレーザ光を一方が他方に対して遅延する条件で出射させることのできる光学装置の汎用性を向上させることにある。また、本発明の目的は、アニールの加工品質を向上させ得る技術を提供することにある。

本発明の一観点によれば、自己に入射する光の、相互に直交する第１の偏光成分及び第２の偏光成分の強度比を変化させることができる強度比可変装置と、前記強度比可変装置に、主パルスレーザ光を入射させる光源と、前記強度比可変装置を通過した主パルスレーザ光を、前記第１の偏光成分からなる第１のパルスレーザ光と、前記第２の偏光成分からなる第２のパルスレーザ光とに分岐させた後、該第１及び第２のパルスレーザ光が共通の光路を伝播するように、該第１及び第２のパルスレーザ光の一方の光路を他方の光路に重ね合せる伝播光学系であって、前記第１のパルスレーザ光が前記共通の光路上における仮想点に到達する時点と、前記第２のパルスレーザ光が該仮想点に到達する時点とを異ならせる伝播光学系とを備えた光学装置が提供される。

主パルスレーザ光の第１及び第２の偏光成分の強度比を変化させることにより、第１及び第２のパルスレーザ光の強度比を変化させることができる。これにより、光学装置の汎用性を向上させることができる。

図１に、実施例による光学装置の概略図を示す。光源１が、主パルスレーザ光Ｌを出射する。光源１から出射された主パルスレーザ光Ｌが入射する位置に、１／４波長板２が配置されている。１／４波長板２は、保持機構３によって保持されている。保持機構３は、主パルスレーザ光Ｌの光軸に平行な軸を回転中心として１／４波長板２を回転させ、所望の位置で固定することができる。１／４波長板２を通過した主パルスレーザ光Ｌが入射する位置に、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ；Polarized Beam Splitter）４が配置されている。

光源１から出射される主パルスレーザ光Ｌは、ＰＢＳ４に対してＰ偏光である。いま、１／４波長板２が、その速相軸（fast axis）及び遅相軸（slow axis）を主パルスレーザ光Ｌの偏光方向に対して４５°傾けた状態で固定されているとする。このとき、Ｐ偏光である主パルスレーザ光Ｌが、１／４波長板２によって円偏光に変換される。円偏光に変換された主パルスレーザ光Ｌが、ＰＢＳ４に入射する。

ＰＢＳ４は、主パルスレーザ光Ｌが入射する分岐点Ｄを画定し、分岐点Ｄに入射した光を、そのＳ偏光成分を反射させ、Ｐ偏光成分を透過させることにより、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分岐させる。円偏光である主パルスレーザ光Ｌは、相互に強度の等しいＳ偏光成分とＰ偏光成分とからなる。このため、円偏光である主パルスレーザ光Ｌは、分岐点Ｄにおいて、相互に光強度の等しい第１のパルスレーザ光（Ｓ偏光）Ｌ_Ｓと、第２のパルスレーザ光（Ｐ偏光）Ｌ_Ｐとに分岐される。

Ｓ偏光である第１のパルスレーザ光Ｌ_Ｓの、分岐点Ｄからの出射光軸（以下、第１の出射光軸という。）Ｓ_ＯＵＴ１は、分岐点Ｄへの主パルスレーザ光Ｌの入射光軸Ｓ_ＩＮ１と直交する。第１のパルスレーザ光Ｌ_Ｓは、第１の出射光軸Ｓ_ＯＵＴ１に沿って伝播して、試料面Ｐ上の入射点Ｎに入射する。一方、Ｐ偏光である第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐの、分岐点Ｄからの出射光軸（以下、第２の出射光軸という。）Ｓ_ＯＵＴ２は、分岐点Ｄへの主パルスレーザ光Ｌの入射光軸Ｓ_ＩＮ１を延長させた直線に一致する。

遅延光学系５に、第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐが入射する。遅延光学系５は、第１〜第３の反射鏡５１、５２、及び５３を有する。分岐点Ｄから出射した第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐが、第１〜第３の反射鏡５１、５２、及び５３をこの順に経由して、分岐点Ｄに再入射する。即ち、第１〜第３の反射鏡５１、５２、及び５３における第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐの反射点をそれぞれＡ、Ｂ、及びＣとしたとき、遅延光学系５は、ＰＢＳ４と共に遅延光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄを画定している。なお、点Ｃから点Ｄにわたって画定される第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐの光軸（以下、再入射光軸Ｓ_ＩＮ２という。）は、上記第１の出射光軸Ｓ_ＯＵＴ１を延長させた直線に一致する。また、点Ａから点Ｂにわたって画定される第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐの光軸は、再入射光軸Ｓ_ＩＮ２と平行である。

可動ステージ６上に、第２及び第３の反射鏡５２及び５３が固定されている。可動ステージ６は、再入射光軸Ｓ_ＩＮ２と平行な方向に移動することができる。これにより、再入射光軸Ｓ_ＩＮ２の空間的位置を移動させることなく、遅延光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの全長を変化させることができる。即ち、可動ステージ６をＰＢＳ４に近づける程、遅延光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの全長を短くすることができ、ＰＢＳ４から遠ざける程、遅延光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの全長を長くすることができる。

遅延光学系５は、第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐを、その偏光方向をＰＢＳ４に対してＰ方向に保った状態で分岐点Ｄに再入射させる。このため、ＰＢＳ４に再入射された第２のパルスレーザ光Ｌ_ＰはＰＢＳ４を透過する。これにより、第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐの光路が上記第１の出射光軸Ｓ_ＯＵＴ１に重ね合わされる。第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐは、第１の出射光軸Ｓ_ＯＵＴ１を伝搬して試料面Ｐ上の入射点Ｎに入射する。

図２は、図１の試料面Ｐ上の入射点Ｎにおける光強度の時間変化を表すグラフである。横軸が時間を示し、縦軸が光強度を示す。第１のパルス波形２１は、図１の第１のパルスレーザ光Ｌ_Ｓの入射点Ｎへの入射によって形成され、第２のパルス波形２２は、図１の第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐの入射点Ｎへの入射によって形成される。

第１のパルス波形２１のピーク強度Ｐ_Ｓと、第２のパルス波形２２のピーク強度Ｐ_Ｐとは等しい。これは上述したように、図１の１／４波長板２が主パルスレーザ光Ｌを円偏光に変換する構成としたことにより、ＰＢＳ４において主パルスレーザ光Ｌが強度に関して均等に第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｓ及びＬ_Ｐに２分割されるからである。また、第１のパルス波形２２のパルス幅Ｔ_１と、第２のパルス波形２２のパルス幅Ｔ_２とは、ともに図１の主パルスレーザ光Ｌのパルス幅に等しい。なお、本明細書においては、パルスレーザ光のパルス時間波形が立ち上がる時点から消滅する時点までの時間間隔をパルス幅と呼ぶことにする。

第２のパルス波形２２の立ち上がり時刻ｔ_２、即ち図１の第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐの入射点Ｎへの到達時刻ｔ_２は、第１のパルス波形２１の立ち上がり時刻ｔ_１、即ち図１の第１のパルスレーザ光Ｌ_Ｓの入射点Ｎへの到達時刻ｔ_１よりもＴ_ｄだけ遅延する。これは図１において、第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐが入射点Ｎに到達するまでに経由する光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｎの光路長が、第１のパルスレーザ光Ｌ_Ｐが入射点Ｎに到達するまでに経由する光路Ｄ−Ｎの光路長よりも、遅延光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの光路長の分だけ長いからである。即ち、図１の第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐが遅延光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄを伝播するのに要する時間だけ遅延時間Ｔ_ｄが生じる。

遅延時間Ｔ_ｄが、第１のパルス波形２１のパルス幅Ｔ_１よりも長いときに、第１のパルス波形２１と第２のパルス波形２２とが時間軸上で重ならない状態となる。いま、第１のパルス波形２１のパルス幅Ｔ_１が約５０ｎｓであるとする。光の伝播速度が約３×１０^８ｍ／ｓであるから、図１の遅延光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの光路長が１５ｍよりも長いときに、遅延時間Ｔ_ｄが、第１のパルス波形２１のパルス幅Ｔ_１よりも長くなる。例えば、図１の遅延経路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの長さを約１８ｍに設定すると、遅延時間Ｔ_ｄを約６０ｎｓとすることができる。このとき、第１のパルス波形２１の消滅時点から第２のパルス波形２２の立ち上がり時点までの間の時間間隔であるパルス間隔Ｔ_３が約１０ｎｓとなる。

なお、遅延時間Ｔ_ｄは、図１の可動ステージ６を移動させて遅延光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの光路長を変化させることにより調節できる。例えば、遅延時間Ｔ_ｄが第１のパルス波形２１のパルス幅Ｔ_１よりも短くなるような構成とすることにより、第１及び第２のパルス波形２１及び２２を時間軸上で部分的に重ね合わせることもできる。このように、遅延時間Ｔ_ｄを柔軟に調節できるため、光学装置の汎用性を向上させることができる。

図３に、図１の遅延光学系５の変形例を示す。折り返し反射鏡群５４が、第１の反射鏡５１と第２の反射鏡５２との間の光路上に配置されている。折り返し反射鏡群５４は、点Ａから出射した第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｐを、点Ｂに到達するまでの間に第２の出射光軸Ｓ_ＯＵＴ２と平行な方向に関して複数回折り返す。これにより、全長が例えば十数ｍ〜数十ｍ以上の遅延光路Ｄ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄを画定するにあたっても、遅延光学系の大型化を防止できる。なお、遅延光路の一部を、例えば偏波面保存ファイバによって構成してもよい。光路Ａ−Ｂの配置を柔軟に設計できるので、遅延光学系の大型化を防止できる。

図１に戻って説明を続ける。１／４波長板２を、保持機構３によって回転させることにより、１／４波長板２から出射する主パルスレーザ光ＬのＰ偏光成分とＳ偏光成分との強度比を変化させることができる。このため、ＰＢＳ４における主パルスレーザ光Ｌの分割比を変化させることができ、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｓ及びＬ_Ｐの強度比を変化させることができる。その結果、図２の第１のパルス波形２１のピーク強度Ｐ_Ｓと、第２のパルス波形２２のピーク強度Ｐ_Ｐとの比（Ｐ_Ｓ：Ｐ_Ｐ）を変化させることができる。詳細には、１／４波長板２を回転させることにより、図２のＰ_Ｓ：Ｐ_Ｐを０：１００〜５０：５０の範囲で変化させることができる。

具体的に説明する。１／４波長板２の遅相軸又は進相軸が主パルスレーザ光Ｌの偏光方向と平行なときは、ＰＢＳ４に対してＰ偏光である主パルスレーザ光Ｌの偏光状態が１／４波長板２によって変更されない。このため、Ｐ偏光である主パルスレーザ光ＬがＰＢＳ４に入射するので、第１のパルスレーザ光Ｌ_Ｓの強度はゼロとなり、図２のＰ_Ｓ：Ｐ_Ｐが０：１００となる。

１／４波長板２の遅相軸が主パルスレーザ光Ｌの偏光方向に対して４５°傾いているときは、上述したようにＰＢＳ４に対してＰ偏光である主パルスレーザ光Ｌが１／４波長板２によって円偏光に変換され、円偏光である主パルスレーザ光ＬがＰＢＳ４に入射する。このとき図２のＰ_Ｓ：Ｐ_Ｐが５０：５０となる。

１／４波長板２の遅相軸が主パルスレーザ光Ｌの偏光方向と交差し、かつ両者のなす角度が４５°ではないときに、ＰＢＳ４に対してＰ偏光である主パルスレーザ光Ｌが１／４波長板２によって楕円偏光に変換され、楕円偏光である主パルスレーザ光Ｌが１／４波長板２に入射する。このとき図２のＰ_Ｓ：Ｐ_Ｐが、Ｘ：（１００−Ｘ）となる。但し、０＜Ｘ＜５０である。

１／２波長板を、１／４波長板２に代えて用いることもできる。この場合、保持機構３によって１／２波長板を回転させることにより、ＰＢＳ４に対してＰ偏光である主パルスレーザ光Ｌを、直線偏光光に保ったまま、その偏光方向を回転させることができる。具体的には、１／２波長板の遅相軸を主パルスレーザ光Ｌの偏光方向に対して角度θ傾けると、１／２波長板から出射する主パルスレーザ光Ｌの偏光方向は角度２θ回転する。この結果、主パルスレーザ光Ｌの、ＰＢＳ４に対するＰ偏光成分とＳ偏光成分との強度比を０：１００〜１００：０の範囲で変化させることができる。即ち、図２のＰ_Ｓ：Ｐ_Ｐを、０：１００〜１００：０の範囲で変化させることができる。なお、１／２波長板や１／４波長板に限らず、１／３波長板等の他の波長板を用いてもよい。

電気光学素子（ＥＯＭ；Electro-OpticModulator）を、１／４波長板２に代えて用いることもできる。この場合、保持機構３は省略される。ＥＯＭは、主パルスレーザ光Ｌが入射する電気光学結晶と、その電気光学結晶に電場を印加する電場印加器とを含んで構成される。電場印加器によって電気光学結晶に電場が印加されることにより、電気光学結晶に複屈折が生じる。これに基づいて、主パルスレーザ光Ｌの相互に直交する偏光成分に位相差を付与することが可能となるので、主パルスレーザ光Ｌの偏光状態を変化させることができる。これにより、主パルスレーザ光ＬのＰＢＳ４に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分との強度比を、０：１００〜１００：０の範囲で変化させることができる。

ファラデー回転素子（faradayrotator）を、１／４波長板２に代えて用いることもできる。この場合も、保持機構３は省略される。ファラデー回転素子は、主パルスレーザ光Ｌが入射する透明誘電体と、その透明誘電体に磁場を印加する磁場印加器とを含んで構成される。ファラデー回転素子によれば、主パルスレーザ光Ｌの偏光状態を直線偏光に保ったまま、その偏光方向を回転させることができる。これにより、主パルスレーザ光ＬのＰＢＳ４に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分との強度比を、０：１００〜１００：０の範囲で変化させることができる。

以上のようにして、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｓ及びＬ_Ｐの強度比を変化させることができるので、光学装置の汎用性を向上させることができる。ＰＢＳ４による主パルスレーザ光Ｌの分割比を変化させることにより、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｓ及びＬ_Ｐの強度比を変化させるので、分割した後に第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_Ｓ及びＬ_Ｐの一方の強度をアッテネータ等で減衰させる場合に比べると、パルスレーザ光のエネルギのロスを小さく抑えることができる。

図４に、他の実施例による光学装置を示す。光源４１が、主パルスレーザ光Ｌ_０を出射する。光源４１から出射される主パルスレーザ光Ｌ_０は、図４の紙面に平行なＸ方向を偏光方向とする直線偏光光である。主パルスレーザ光Ｌ_０が入射する位置に、部分反射鏡４２が配置されている。保持機構４３が部分反射鏡４２を保持している。部分反射鏡４２は、主パルスレーザ光Ｌ_０が入射する分岐点Ｉを画定し、その分岐点Ｉにおいて主パルスレーザ光Ｌ_０を、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２に分岐させる。分岐されて得られた第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２は、主パルスレーザ光Ｌ_０の偏波面と平行な偏波面をもつ直線偏光光である。

第１のパルスレーザ光Ｌ_１は、第１〜第４の反射鏡４４１、４４２、４４３、及び４４４をこの順に経由し、その偏波面が主パルスレーザ光Ｌ_０の偏波面と平行に保たれた状態でＰＢＳ４６に入射する。ＰＢＳ４６は、第１のパルスレーザ光Ｌ_１が入射する合成点Ｊを画定している。

遅延光学系４４が、第１〜第４の反射鏡４４１、４４２、４４３、及び４４４によって構成されている。即ち、第１〜第４の反射鏡４４１、４４２、４４３、及び４４４上における第１のパルスレーザ光Ｌ_１の反射点をそれぞれＥ、Ｆ、Ｇ、及びＨとしたとき、遅延光学系４４によって遅延光路Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈが画定されている。点Ｅから点Ｆにわたって画定される光軸は、点Ｇから点Ｈにわたって画定される光軸と平行である。

可動ステージ４５上に、第３及び第４の反射鏡４４２及び４４３が固定されている。可動ステージ４５は、点Ｅから点Ｆにわたって画定される光軸に平行な方向に移動することができる。これにより、分岐点Ｉから点Ｅにわたって画定される光軸、及び点Ｈから合成点Ｊにわたって画定される光軸の空間的位置を変化させることなく、遅延光路Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈの全長を変化させることができる。即ち、可動ステージ４５を第１の反射鏡４４１に近づける程、遅延光路Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈの全長を短くすることができ、第１の反射鏡４４１から遠ざける程、遅延光路Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈの全長を長くすることができる。

第２のパルスレーザ光Ｌ_２は、反射鏡４７によって反射されて、１／２波長板４８に入射する。１／２波長板４８は、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の偏光方向を、９０°旋回させる。これにより、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の偏光方向は、図４の紙面に垂直なＹ方向となる。なお、１／２波長板４８に代えて、直線偏光光の偏光方向を９０度変化させるペリスコープ（Periscope）を用いてもよい。

１／２波長板４８を通過した第２のパルスレーザ光Ｌ_２は、反射鏡４９によって反射され、ＰＢＳ４６によって画定された合成点Ｊに入射する。第２のパルスレーザ光Ｌ_２の合成点Ｊへの入射光軸Ｓ_ＩＮ２は、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の合成点Ｊへの入射光軸Ｓ_ＩＮ１と直交している。

ＰＢＳ４６は、第１のパルスレーザ光Ｌ_１がＰＢＳ４６に対してＰ偏光となり、第２のパルスレーザ光Ｌ_２がＰＢＳ４６に対してＳ偏光となるように配置されている。ＰＢＳ４６はＰ偏光を透過させるため、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の合成点Ｊからの出射光軸Ｓ_ＯＵＴは、合成点Ｊへの第１のパルスレーザ光Ｌ_１の入射光軸Ｓ_ＩＮ１と同軸になる。また、ＰＢＳ４６はＳ偏光である第２のパルスレーザ光Ｌ_２を反射させることにより、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の合成点Ｊからの出射光軸を、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の合成点Ｊからの出射光軸Ｓ_ＯＵＴと一致させる。ＰＢＳ４６から出射した第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２は、ともに共通の出射光軸Ｓ_ＯＵＴを伝播して、試料面Ｐ上の入射点Ｎに入射する。

この光学装置においても、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の入射点Ｎへの到達時点と、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の入射点Ｎへの到達時点を異ならせることができる。第１のパルスレーザ光Ｌ_１が分岐点Ｉから合成点Ｊまでに経由する光路（以下、第１の光路という。）の光路長が、第２のパルスレーザ光Ｌ_２が分岐点Ｉから合成点Ｊまでに経由する光路（以下、第２の光路という。）の光路長よりも長い場合に、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の入射点Ｎへの到達時点が、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の入射点Ｎへの到達時点よりも遅れる。一方、第１の光路の光路長が、第２の光路の光路長よりも短い場合に、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の入射点Ｎへの到達時点が、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の入射点Ｎへの到達時点よりも早くなる。

可動ステージ４５を移動させて、遅延光路Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈの光路長を変化させることにより、第１の光路の光路長を、第２の光路の光路長よりも長い状態から第２の光路の光路長よりも短い状態にわたって連続的に変化させることができる。このため、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の入射点Ｎへの到達時点を、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の入射点Ｎへの到達時点に対して遅延させることもできるし、早めることもできる。第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の入射点Ｎへの到達時点の時間差は、遅延光路Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈの光路長によって調節できる。このため、光学装置の汎用性を向上させることができる。

図５(ａ)に、部分反射鏡４２の平面図を示す。部分反射鏡４２は平面視において長方形をなしており、その表面上の位置によって、図４の主パルスレーザ光Ｌ_０に対する反射率と透過率の比が異なるように構成されている。表面上における反射率と透過率の比は、部分反射鏡４２の長手方向に関して変化している。図４の保持機構４３が、部分反射鏡４２の表面上における主パルスレーザ光Ｌ_０の入射位置が、その表面上で移動するように、部分反射鏡４２を長手方向にスライドさせる。これにより、部分反射鏡４２による主パルスレーザ光Ｌ_０の分割比を変化させることができるため、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の強度比を調節することができる。このため、光学装置の汎用性を向上させることができる。

図５(ｂ)に、部分反射鏡の変形例を示す。この部分反射鏡４２１は、平面視において円形をなしており、その表面上の位置によって、図４の主パルスレーザ光Ｌ_０に対する反射率と透過率の比が異なる。表面上における反射率と透過率の比は、部分反射鏡４２１の周方向に関して変化している。図４の保持機構４３が、部分反射鏡４２１の表面上における主パルスレーザ光Ｌ_０の入射位置が、その表面上で移動するように、部分反射鏡４２１を回転させる。これにより、部分反射鏡４２１による主パルスレーザ光Ｌ_０の分割比を変化させることができるため、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の強度比を調節することができる。

図６に、実施例によるＰＩＶ（ParticleImage Velocimetry）装置の概略図を示す。ダブルパルスレーザ出射装置６１は、図１又は図４に示した光学装置によって構成されている。ダブルパルスレーザ出射装置６１は、１発目のパルスレーザ光を出射した後、その１発目のパルスレーザ光のパルス幅よりも数ｎｓ程度長い遅延時間をおいて、２発目のパルスレーザ光を出射することができる。即ち、１発目のパルスレーザ光のパルス波形の消滅時点から２発目のパルスレーザ光のパルス波形の立ち上がり時点までのパルス間隔を数ｎｓ程度とすることができる。このパルス間隔を数ｎｓ程度に設定することは、図１又は図４の遅延光路の光路長を調整することにより容易に実現できる。

まず、ダブルパルスレーザ出射装置６１が、１発目のパルスレーザ光を出射する。出射されたパルスレーザ光は、シリンドリカルレンズ等を含んで構成される整形光学系６２によってシート状に整形される。シート状に整形されたパルスレーザ光（以下、パルスシート光という。）が、透明な筒状体６３内に形成されたトレーサ粒子６４の流動場に照射される。このパルスシート光がストロボとして機能し、シャッタの開かれたＣＣＤカメラ６５によって、パルスシート光のトレーサ粒子６４からの散乱光が撮像される。なお、パルスレーザ光は必ずしもシート状に整形しなくてもよく、トレーサ粒子６４の流動場のうちの測定したい領域を照射できるビームサイズを有していればよい。

次に、ＣＣＤカメラ６５のシャッタが開かれた状態のまま、ダブルパルスレーザ出射装置６１が２発目のパルスレーザ光を出射する。上記と同様にして、２発目のパルスレーザ光も整形光学系６２によってパルスシート光に整形され、そのパルスシート光の、トレーサ粒子６４からの散乱光がＣＣＤカメラ６５によって撮像される。ＣＣＤカメラ６５においては、１発目のパルスシート光に対応する画像と２発目のパルスレーザ光に対応する画像とが多重露光される。そして、多重露光されて得られた画像データが、コンピュータ６６に送出される。

コンピュータ６６は、その画像データを解析することにより、１発目のパルスレーザ光の照射時点から２発目のパルスレーザ光の照射時点までの、各々のトレーサ粒子６４の移動距離を求める。そして、求めた移動距離の各々を、１発目のパルスレーザ光と２発目のパルスレーザ光とのパルス間隔で割ることにより、各々のトレーサ粒子６４の移動速度を求めることができる。

従来のＰＩＶ装置では、１台のレーザ発振器においてＱスイッチ動作を２回繰り返すことにより、２発のパルスレーザ光を出射させていた。この場合、１発目のパルスレーザ光と２発目のパルスレーザ光とのパルス間隔を１μｓ以下に短縮することが困難であった。このため、トレーサ粒子６４の流動速度を増大させた場合、１発目のパルスレーザ光に対応した画像と２発目のパルスレーザ光に対応した画像との間で、対応するトレーサ粒子６４の相関がとれなくなり、トレーサ粒子６４の移動速度を正確に求めることができない場合があった。

本実施例のＰＩＶ装置によれば、１発目のパルスレーザ光と２発目のパルスレーザ光とのパルス間隔を数ｎｓ以下に設定することができるので、従来に比べると、トレーサ粒子６４の速度算出の時間分解能を高めることができ、トレーサ粒子６４の移動速度をより正確に求めることができる。また、ダブルパルスレーザ出射装置６１においては、１発目のパルスレーザ光と２発目のパルスレーザ光のパルス間隔を調整することができるので、トレーサ粒子６４の速度算出の時間分解能を調整することができるという利点がある。

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１又は図４に示した光学装置をアニール処理に適用することもできる。この場合、光源１は例えばエキシマレーザ発振器を用いて構成される。パルス幅が伸長された主パルスレーザ光Ｌをアモルファスシリコン膜に入射させるばかりでなく、主パルスレーザ光Ｌを分割して得られる時間的に不連続な第１及び第２のパルスレーザ光をアモルファスシリコン膜に入射させることによっても、アモルファスシリコン膜の多結晶化に有効な効果が得られることがある。第１及び第２のパルスレーザ光を調整することができるので、アニール処理の条件を柔軟に設定することができる。この他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例による光学装置の概略図である。 第１及び第２のパルスレーザ光のパルス波形を示すグラフである。 遅延光学系の概略図である。 他の実施例による光学装置の概略図である。 部分反射鏡の平面図である。 実施例によるＰＩＶ装置の概略図である。

符号の説明

１…光源、２…１／４波長板、３…保持機構、４…ＰＢＳ（偏光光学素子）、５…遅延光学系（再入射光学系）、６…可動ステージ（光路長調節機構）、Ｌ_Ｓ…第１のパルスレーザ光、Ｌ_Ｐ…第２のパルスレーザ光、４１…光源、４２…部分反射鏡（分割器）、４３…保持機構、４４…遅延光学系、４５…可動ステージ（光路長差調節機構）、４６…ＰＢＳ（重ね合わせ器）、４８…１／２波長板（偏光方向変化器）、Ｌ_１…第１のパルスレーザ光、Ｌ_２…第２のパルスレーザ光、Ｉ…分岐点、Ｊ…合成点。

Claims (10)

1. 自己に入射する光の、相互に直交する第１の偏光成分及び第２の偏光成分の強度比を変化させることができる強度比可変装置と、
   前記強度比可変装置に、主パルスレーザ光を入射させる光源と、
   前記強度比可変装置を通過した主パルスレーザ光を、前記第１の偏光成分からなる第１のパルスレーザ光と、前記第２の偏光成分からなる第２のパルスレーザ光とに分岐させた後、該第１及び第２のパルスレーザ光が共通の光路を伝播するように、該第１及び第２のパルスレーザ光の一方の光路を他方の光路に重ね合せる伝播光学系であって、前記第１のパルスレーザ光が前記共通の光路上における仮想点に到達する時点と、前記第２のパルスレーザ光が該仮想点に到達する時点とを異ならせる伝播光学系と
   を備えた光学装置。
2. 前記強度比可変装置が、
   前記光源から出射された主パルスレーザ光が入射し、該主パルスレーザ光の入射光軸と交差する仮想平面に平行な遅相軸、及び該遅相軸に直交し前記仮想平面に平行な進相軸を有し、該主パルスレーザ光の前記遅相軸に平行な偏光成分と前記進相軸に平行な偏光成分との間に位相差を付与する波長板と、
   前記波長板を、前記仮想平面に交差する軸を中心として回転できるように保持し、かつ所望の位置で固定することができる保持機構と
   を含む請求項１に記載の光学装置。
3. 前記伝播光学系が、
   前記強度比可変装置を通過した主パルスレーザ光が入射する分岐点を画定し、該主パルスレーザ光の前記第１の偏光成分を前記第１のパルスレーザ光として該分岐点から第１の方向に出射させ、前記第２の偏光成分を前記第２のパルスレーザ光として該分岐点から前記第１の方向とは異なる第２の方向に出射させ、かつ該主パルスレーザ光の前記分岐点への入射方向とは異なる第３の方向から該分岐点に再び入射される前記第２のパルスレーザ光を、該分岐点から前記第１の方向に出射させることにより、該第２のパルスレーザ光の光路を前記第１のパルスレーザ光の光路に重ね合せる偏光光学素子と、
   前記偏光光学素子によって前記分岐点から前記第２の方向に出射された前記第２のパルスレーザ光を、前記第３の方向から再び該分岐点に入射させる再入射光学系と
   を含む請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記再入射光学系が、前記分岐点から前記第２の方向に出射した後、前記再入射光学系によって前記第３の方向から再び前記分岐点に入射されるまでに前記第２のパルスレーザ光が経由する光路の光路長を変化させることができる光路長調節機構を含む請求項３に記載の光学装置。
5. 主パルスレーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射された主パルスレーザ光が入射する分岐点を画定し、該分岐点において前記主パルスレーザ光を第１及び第２のパルスレーザ光に分割する分割器であって、前記主パルスレーザ光の分割比を変化させることにより、前記第１及び第２のパルスレーザ光の強度比を変化させることができる分割器と、
   前記分割器によって分割されて得られた前記第１及び第２のパルスレーザ光を合成点に入射させる伝播光学系であって、前記第１のパルスレーザ光が前記分岐点から前記合成点までに経由する第１の光路と、前記第２のパルスレーザ光が前記分岐点から前記合成点までに経由する第２の光路との間に光路長差を付与する伝播光学系と、
   前記合成点を画定し、前記第１及び第２のパルスレーザ光が共通の光路を伝播するように、該合成点において該第１及び第２のパルスレーザ光の光路を重ね合せる重ね合わせ器と
   を備えた光学装置。
6. 前記分割器が、
   前記主パルスレーザ光の光軸と交差する表面を有し、該表面上の位置によって該主パルスレーザ光に対する反射率と透過率との比が異なる部分反射鏡と、
   前記部分反射鏡の表面上における前記主パルスレーザ光の入射位置が、該表面上で移動するように、該部分反射鏡を回転させ又は移動させることができる保持機構と
   を含む請求項５に記載の光学装置。
7. 前記光源から出射される主パルスレーザ光が直線偏光光であり、
   前記伝播光学系が、前記第１及び第２の光路の一方の光路上に配置され、自己に入射した直線偏光光の偏光方向を９０度変化させる偏光方向変化器を含む請求項６に記載の光学装置。
8. 前記伝播光学系が、前記第１及び第２の光路の少なくともいずれか一方の光路の光路長を変化させることにより、該第１の光路と第２の光路との光路長差を変化させることができる光路長差調節機構を含む請求項５〜７のいずれかに記載の光学装置。
9. 主パルスレーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射された主パルスレーザ光が入射する分岐点を画定し、該分岐点において前記主パルスレーザ光を第１及び第２のパルスレーザ光に分割する分割器と、
   前記分割器によって分割されて得られた前記第１及び第２のパルスレーザ光を合成点に入射させる伝播光学系であって、前記第１のパルスレーザ光が前記分岐点から前記合成点までに経由する第１の光路、及び前記第２のパルスレーザ光が前記分岐点から前記合成点までに経由する第２の光路の少なくともいずれか一方の光路の光路長を変化させることにより、前記第１の光路の光路長が前記第２の光路の光路長よりも長い第１の状態、及び前記第１の光路の光路長が前記第２の光路の光路長よりも短い第２の状態の少なくとも２つの状態をとることができる伝播光学系と、
   前記合成点を画定し、前記第１及び第２のパルスレーザ光が共通の光路を伝播するように、該合成点において該第１及び第２のパルスレーザ光の光路を重ね合せる重ね合わせ器と
   を備えた光学装置。
10. 表面がアモルファスシリコン膜からなるアニール対象物を準備する工程と、
    請求項１〜９のいずれかに記載の光学装置から出射され、前記共通の光路を伝播する前記第１及び第２のパルスレーザ光を前記アニール対象物に入射させる工程と
    を含むアニール方法。

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