JP2006243667A - Optical element and apparatus using the same - Google Patents

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泰史 山田
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a spatial phase modulating element which is usable for various light sources, especially, a high-intensity laser light and a short-pulse laser light, and further to enable simultaneous control over intensity and phase modulation by the spatial phase modulating element which has been difficult in the conventional art. <P>SOLUTION: The optical modulator 10 comprises a plurality of light transmission structures 2 and a liquid supply means 3 of supplying liquid to the light transmission structures 2, and supplies at least two kinds of liquid differing in refractive index into the light transmission structures 2 by the liquid supply means 3 to spatially modulate phases of transmitting lights. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、レーザ光を透過又は反射させることにより、空間的に位相分布を有するレーザ波面を形成することできる光学素子、及びこれを適用したレーザ加工装置、レーザマニピュレーション装置に関する。
上記光学素子は、光の位相を制御することにより空間光変調器として利用することが可能であり、レーザ光の波面収差補正、集光分布補正、又はホログラフィック加工用マスクとして、さらに光演算、光計測、記録、ディスプレイ、光通信分野への利用も可能である。
また、光の僅かな位相分布を補正することにより、光補償素子として機能させることが可能であり、同様に光演算、光計測分野等において利用することも可能である。
そして、光の位相と強度を同時に制御することにより、ホログラフィック素子として高い機能を有する素子を実現することが可能である。
The present invention relates to an optical element capable of forming a laser wavefront having a spatial phase distribution by transmitting or reflecting laser light, and a laser processing apparatus and a laser manipulation apparatus to which the optical element is applied.
The optical element can be used as a spatial light modulator by controlling the phase of light, and further, as a wavefront aberration correction, condensing distribution correction, or a holographic processing mask for laser light, It can also be used in the fields of optical measurement, recording, display, and optical communication.
Further, it is possible to function as an optical compensation element by correcting a slight phase distribution of light, and similarly, it can be used in the field of optical computation, optical measurement, and the like.
An element having a high function as a holographic element can be realized by simultaneously controlling the phase and intensity of light.

従来、光の空間位相変調は、マトリクス状に配置された薄膜や液晶材料の物性変化を利用した手法や、透過薄膜の距離を変化させる手法によって成されてきた。これら空間位相変調は、通常、透明電極や磁気薄膜への電界や磁界を制御することにより成されている。(詳細は、「光情報処理の基礎」谷田貝ら(丸善、平成10年8月31日発行)p.53〜を参照。)
粘性を有する材料の変形によって光の位相を変化させるものとして、特許第3258029号公報(超大集積空間光変調器用の位相変調微細構造)に記載されているものがある。この特許公報のものは、電気信号により誘電体材料の形状を変化させることにより、そこを透過する光の空間位相の変調を行っている。
Conventionally, the spatial phase modulation of light has been performed by a method using changes in physical properties of thin films and liquid crystal materials arranged in a matrix or a method of changing the distance of a transmissive thin film. These spatial phase modulations are usually performed by controlling an electric field or a magnetic field on the transparent electrode or the magnetic thin film. (For details, see “Basics of Optical Information Processing” Yatakai et al. (Maruzen, issued August 31, 1998) p. 53-)
Japanese Patent No. 3258029 (a phase modulation fine structure for a super-integrated spatial light modulator) is one that changes the phase of light by deformation of a viscous material. In this patent publication, the shape of the dielectric material is changed by an electric signal, thereby modulating the spatial phase of light transmitted therethrough.

このように、従来の光学素子では、光透過性酸化物薄膜や液晶高分子等を用いて光の位相の変化を行っているので、次のような問題点がある。
(1) 高強度のレーザ光では損傷が起こる。
(2) 繰り返しレーザ光照射により変質が起こり、透過率の変化が生じる。
(3) 特に、短波長紫外域では透過材料に制限がある。
(4) 薄膜材料では、位相変調を大きくすることが困難である。
(5) 利用できる波長範囲が狭い。
(6) 構成が複雑になる。
(7) 材料の選択幅が狭い。
As described above, the conventional optical element has the following problems because the phase of light is changed using a light-transmitting oxide thin film, a liquid crystal polymer, or the like.
(1) Damage occurs with high-intensity laser light.
(2) Alteration occurs due to repeated laser light irradiation, resulting in a change in transmittance.
(3) Especially in the short wavelength ultraviolet region, the transmission material is limited.
(4) It is difficult to increase the phase modulation in the thin film material.
(5) The usable wavelength range is narrow.
(6) The configuration becomes complicated.
(7) The material selection range is narrow.

レーザ光による材料の損傷は、材料の光吸収と材料の熱伝播による高温化や化学反応により影響される。固体材料では高強度のレーザ光照射時に、僅かな光吸収でも吸収による直接材料変質や高温化による変質が起こる。これらにより高強度のレーザ光照射時には、瞬間あるいは時間を経て物質の光特性が変化し、さらにレーザ光強度が強い場合には材料が除去され、空間変調器としての機能を果たさなくなる。
特許第3258029号公報
The damage of the material by the laser beam is affected by the high temperature and chemical reaction due to the light absorption of the material and the heat propagation of the material. In the case of a solid material, even when a small amount of light is absorbed, irradiation with high intensity laser light causes direct material alteration due to absorption or alteration due to high temperature. As a result, when high-intensity laser light is irradiated, the optical characteristics of the substance change instantaneously or over time, and when the laser light intensity is high, the material is removed and the function as a spatial modulator is not achieved.
Japanese Patent No. 3258029

本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点を踏まえ、様々な光源、特に高強度レーザ光や短パルスレーザ光に対しても利用可能である空間位相変調素子を実現することである。さらに、従来では困難であった空間位相変調素子による強度と位相変調の同時制御を可能にすることである。   The problem to be solved by the present invention is to realize a spatial phase modulation element that can be used for various light sources, particularly high-intensity laser light and short-pulse laser light, in view of the above-mentioned problems of the prior art. is there. Furthermore, it is possible to simultaneously control intensity and phase modulation by a spatial phase modulation element, which has been difficult in the past.

上記課題に対する解決手段は、光学素子の透明セル中に屈折率の異なる液体材料を導入し、この液体材料の屈折率変化により位相変調を行うことが基本である。液体材料を利用することにより、高強度や短波長レーザであっても、簡便に利用可能な空間的位相変調を行うことができる。
なお、ここで使用している「液体」とは、流動性を有しているものであれば、ゾル状の液状体あるいは流動性粘性体も含む。これは、「特許請求の範囲」においても同様である。
The solution to the above problem is basically to introduce a liquid material having a different refractive index into the transparent cell of the optical element and perform phase modulation by changing the refractive index of the liquid material. By using a liquid material, it is possible to perform spatial phase modulation that can be easily used even with a high-intensity or short-wavelength laser.
The “liquid” used here includes a sol-like liquid or fluid viscous material as long as it has fluidity. The same applies to “Claims”.

透明セル中の液体材料の屈折率を変化させることにより、透過光の位相を変化させることができる。
ある波長λでの液体材料の平均屈折率をn(λ)とし、液体材料の入れられた透明セルの距離(透過光路長)をLとすると、その液体材料での位相変化量は次のように表される。
位相変化量=2π×n(λ)×L/λ
液体材料の屈折率は通常1.1程度から1.6程度まで選択が可能であり、距離を一定とし、内部に入れる液体材料の屈折率を変化させることにより、構造体(セル)ごとの位相の変化が可能となる。
これら複数の位相を持つ構造体を空間的に配置するか、あるいは変化させることにより、ホログラム型の光再生が可能となる。例えば、空間的に位相を変化させた光を集光することにより、集光点にパタンを形成することが可能である。また、複数の線上に位相を変化させることにより、回折格子としての機能を持ち、光を回折光として分割したりすることが可能となる。(ホログラム再生や位相変調についての詳細は、上記刊行物「光情報処理の基礎」のp.27〜を参照。)
By changing the refractive index of the liquid material in the transparent cell, the phase of the transmitted light can be changed.
When the average refractive index of the liquid material at a certain wavelength λ is n (λ) and the distance (transmission optical path length) of the transparent cell containing the liquid material is L, the phase change amount in the liquid material is as follows: It is expressed in
Phase change amount = 2π × n (λ) × L / λ
The refractive index of the liquid material can usually be selected from about 1.1 to about 1.6, and the phase for each structure (cell) can be changed by changing the refractive index of the liquid material to be inserted at a constant distance. Can be changed.
Holographic light reproduction can be achieved by spatially arranging or changing the structures having a plurality of phases. For example, it is possible to form a pattern at a condensing point by condensing light whose phase is spatially changed. In addition, by changing the phase on a plurality of lines, it has a function as a diffraction grating and can divide light as diffracted light. (For details on hologram reproduction and phase modulation, see p. 27- of the above-mentioned publication "Basics of Optical Information Processing".)

液体材料は分子間の結合が無いため分子間の熱伝導が小さく、照射レーザ光の吸収が少ない材料では、高温化を抑制することが容易となる。また、低分子の液体材料では、光の吸収による分子内結合解離エネルギーが高いため、照射レーザ光による特性変化を起こし難い。また、紫外域で吸収の少ない材料を選択することが容易である。さらに、液体材料であるため、流すことにより新規な液体材料の供給が可能であり、レーザ損傷を起こしていない新規な液体材料を順次利用することが可能となる。
また、固体材料では位相変調を薄膜で行うことが多いが、その場合、膜厚を厚くすることがプロセス上困難であることが多く、通常数十ミクロン程度である。液体材料の場合は、セルの厚みを大きくすることにより透過距離を大きくすることが容易であり、厚みを変化させた場合に光学特性が変化することはない。
Since the liquid material has no intermolecular bond, heat conduction between the molecules is small, and a material that absorbs less irradiation laser light can easily suppress the increase in temperature. In addition, a low-molecular liquid material has high intramolecular bond dissociation energy due to light absorption, and thus hardly changes in characteristics due to irradiation laser light. Moreover, it is easy to select a material that absorbs less in the ultraviolet region. Further, since it is a liquid material, it is possible to supply a new liquid material by flowing it, and it is possible to sequentially use the new liquid material that has not caused laser damage.
Further, in a solid material, phase modulation is often performed with a thin film. In that case, it is often difficult to increase the film thickness in the process, and it is usually about several tens of microns. In the case of a liquid material, it is easy to increase the transmission distance by increasing the thickness of the cell, and the optical characteristics do not change when the thickness is changed.

また、紫外領域で透過して位相変調を起こす材料は、無機酸化物の僅かな材料に制限されるが、液体材料の場合は紫外域で透明な材料の選択幅が広く、またレーザ光によるダメージしきい値も無機材料に比べ低い材料が多く存在することが知られている。
さらに、これら薄膜やバルクの透明材料を空間位相変調に用いる場合には、空間的に厚みを変化させる等の工法が必要となる。この空間的に厚みや屈折率を変化させるのは多数のマスクを用いて、順次フォトリソグラフィー法を適用するなど非常に複雑な工法と管理が要求される。一方、本発明においては、液体セルの穴加工を行い、流す液体材料の屈折率を変えるだけで空間変調が実現でき、簡便なプロセスで安価に作製することが可能となる。
In addition, materials that cause phase modulation through transmission in the ultraviolet region are limited to a few inorganic oxide materials, but in the case of liquid materials, there is a wide selection range of materials that are transparent in the ultraviolet region and damage caused by laser light. It is known that there are many materials whose threshold values are lower than those of inorganic materials.
Furthermore, when these thin films or bulk transparent materials are used for spatial phase modulation, a method of changing the thickness spatially is required. In order to change the thickness and refractive index spatially, a very complicated construction method and management are required, such as sequentially applying a photolithography method using a large number of masks. On the other hand, in the present invention, spatial modulation can be realized simply by drilling the liquid cell and changing the refractive index of the flowing liquid material, and it can be manufactured at a low cost by a simple process.

〔解決手段1〕(請求項1に対応)
上記課題を解決するために講じた解決手段1は、複数の光透過構造体と、上記光透過構造体へ液体を供給する第1の液体供給手段から成り、少なくとも2種類以上の屈折率の異なる液体を、上記第1の液体供給手段によって上記光透過構造体の内部に供給することにより、透過光の位相を空間的に変調する光学素子である。
〔作 用〕
複数の光透過構造体(透明セル)によって屈折率の異なる液体を空間的選択的に配置し、その際、透明セルの光路長を一定とすることにより、液体の屈折率のみで位相変調をすることが可能である。このとき、セルの温度と圧力が一定に保たれることが望ましい。ただし、通常液体の圧力による屈折率の変化は0.0001/気圧程度で、温度での変化も0.001/度ほどであり、通常は精密な管理を必要としない。
この透明セル中に屈折率の異なる液体を流して、液体の屈折率変化により位相変調を行っている。液体を利用することによって、上記理由により高強度レーザであっても多くの材料を利用することが可能である。
[Solution 1] (corresponding to claim 1)
Solution 1 taken in order to solve the above problems comprises a plurality of light transmission structures and first liquid supply means for supplying liquid to the light transmission structures, and has at least two kinds of different refractive indexes. An optical element that spatially modulates the phase of transmitted light by supplying liquid into the light transmitting structure by the first liquid supply unit.
[Operation]
Liquids having different refractive indexes are spatially and selectively arranged by a plurality of light transmission structures (transparent cells), and at that time, the optical path length of the transparent cells is made constant so that phase modulation is performed only by the refractive index of the liquid. It is possible. At this time, it is desirable that the temperature and pressure of the cell be kept constant. However, the change in the refractive index due to the pressure of the normal liquid is about 0.0001 / atmospheric pressure, and the change in temperature is about 0.001 / degree, so usually precise management is not required.
Liquids having different refractive indexes are allowed to flow through the transparent cell, and phase modulation is performed by changing the refractive index of the liquid. By using a liquid, it is possible to use many materials even for a high-intensity laser for the above reasons.

〔実施態様1〕(請求項2に対応)
実施態様1は、上記解決手段1の光学素子において、屈折率の異なる液体を混合することにより、少なくとも2種類以上の屈折率の異なる液体を調整する液体混合手段を備えることである。
〔作 用〕
少なくとも2種類以上の屈折率の異なる液体を、屈折率の異なる液体を混合することにより調整しているので、容易に屈折率の変調が可能である。
[Embodiment 1] (corresponding to claim 2)
Embodiment 1 is that the optical element of Solution 1 includes a liquid mixing unit that adjusts at least two kinds of liquids having different refractive indexes by mixing liquids having different refractive indexes.
[Operation]
Since at least two kinds of liquids having different refractive indexes are adjusted by mixing liquids having different refractive indexes, the refractive index can be easily modulated.

〔実施態様2〕(請求項3に対応)
実施態様2は、上記解決手段1又は実施態様1の光学素子において、透過光の波長がλであり、屈折率の異なる液体の最大屈折率がnmax、最小屈折率がnminであるとき、光透過構造体の光透過距離をλ/(nmax−nmin)の整数倍とすることである。
〔作 用〕
液体の屈折率の差による透過光の光学距離を最大2π位相差分としており、液体の混合割合により0〜2πまでの位相変調を行っている。
[Embodiment 2] (corresponding to claim 3)
In Embodiment 2, the optical element according to Solution 1 or Embodiment 1 described above, when the wavelength of transmitted light is λ, the maximum refractive index of liquids having different refractive indexes is nmax, and the minimum refractive index is nmin, light transmission is performed. The light transmission distance of the structure is an integral multiple of λ / (nmax−nmin).
[Operation]
The optical distance of transmitted light due to the difference in the refractive index of the liquid is set to a maximum 2π phase difference, and phase modulation from 0 to 2π is performed according to the mixing ratio of the liquid.

〔解決手段2〕(請求項4に対応)
上記課題を解決するために講じた解決手段2は、上記解決手段1、実施態様1、又は実施態様2の光学素子において、第1の液体供給手段の他に、光吸収性を有する液体を光透過構造体へ供給する第2の液体供給手段を備えて成り、
上記第2の液体供給手段によって、上記光吸収性を有する液体を上記光透過構造体の内部に所定の混合割合で供給することにより、透過光の強度を位相と合わせて空間的に変調することである。
[Solution 2] (corresponding to claim 4)
Solution means 2 taken to solve the above-mentioned problem is that in the optical element of solution means 1, embodiment 1 or embodiment 2, in addition to the first liquid supply means, a light-absorbing liquid is used as a light-absorbing liquid. Comprising a second liquid supply means for supplying to the permeable structure;
The second liquid supply means supplies the light-absorbing liquid into the light transmission structure at a predetermined mixing ratio, thereby spatially modulating the intensity of transmitted light according to the phase. It is.

〔作 用〕
屈折率の異なる液体に加え、光吸収性のある液体を利用して両方を混合することにより、空間位相変調だけでなく強度変調も行うことができる。液体がある波長の光に対して吸収性を有する場合、その吸収係数をαとし、透過距離をLとすると、
透過率T=exp(−αL)
となり、吸収係数αの異なる液体を用いることにより光の透過率を制御することができる。液体は透過光の波長に対して吸収性のあるものを選択することが可能であり、それを加えることによって屈折率と吸収率の調整を同時に行っている。
これにより、透過光における位相と透過率の変化は、異なる液体の混合割合により同時に制御することが可能であり、上記解決手段1、実施態様1及び実施態様2における透過光の位相変化に加えて、空間的強度の調整が可能となる。
[Operation]
In addition to liquids having different refractive indexes, by mixing both using liquids having light absorption properties, not only spatial phase modulation but also intensity modulation can be performed. If the liquid has absorptivity for light of a certain wavelength, the absorption coefficient is α and the transmission distance is L.
Transmittance T = exp (−αL)
Thus, the light transmittance can be controlled by using liquids having different absorption coefficients α. It is possible to select a liquid that has an absorptivity with respect to the wavelength of transmitted light, and by adding it, the refractive index and the absorptance are adjusted simultaneously.
Thereby, the change in phase and transmittance in transmitted light can be controlled simultaneously by the mixing ratio of different liquids. In addition to the phase change in transmitted light in Solution 1, Embodiment 1 and Embodiment 2 above, The spatial strength can be adjusted.

〔実施態様3〕(請求項5に対応)
実施態様3は、上記解決手段1〜2、又は実施態様1〜2のいずれかの光学素子において、2種類以上の屈折率の異なる液体が、互いに可溶性液体であることである。
〔作 用〕
屈折率の異なる液体として可溶性のものを選択することにより、混合部での液体の混合が容易であり、屈折率の均一性が高まり、液界面等の発生を防止することができる。
[Embodiment 3] (corresponding to claim 5)
Embodiment 3 is that two or more types of liquids having different refractive indexes are soluble liquids in the optical elements according to any one of the above-described solving means 1 and 2 and embodiments 1 and 2.
[Operation]
By selecting a soluble liquid having a different refractive index, the liquid can be easily mixed in the mixing section, the uniformity of the refractive index can be increased, and the occurrence of a liquid interface or the like can be prevented.

〔実施態様4〕(請求項6に対応)
実施態様4は、上記解決手段1〜2、又は実施態様1〜2のいずれかの光学素子において、2種類以上の屈折率の異なる液体が、同一溶媒又は可溶性の溶媒であり、溶質の濃度により屈折率を変化せしめることである。
〔作 用〕
混合する液体として溶液を用いて、溶質の濃度により屈折率を変化させる。これにより屈折率の調整が容易であり、溶液の選択範囲も広い。
[Embodiment 4] (corresponding to claim 6)
In Embodiment 4, in the optical element according to any one of Solution 1 or 2 or Embodiments 1 and 2, two or more kinds of liquids having different refractive indexes are the same solvent or a soluble solvent, and depending on the concentration of the solute. It is to change the refractive index.
[Operation]
Using a solution as the liquid to be mixed, the refractive index is changed depending on the concentration of the solute. Thereby, the adjustment of the refractive index is easy, and the selection range of the solution is wide.

〔解決手段3〕(請求項7に対応)
上記課題を解決するために講じた解決手段3は、透過光の位相を変調するための複数の光透過構造体を積層した第1光透過構造体と、所定の屈折率の液体を上記第1光透過構造体へ選択的に供給する第1の液体供給手段と、
上記第1光透過構造体の光透過方向に配置し、透過光の強度を変調するための複数の第2光透過構造体と、2種類以上の吸収率の異なる液体を上記複数の第2光透過構造体へ供給する第2の液体供給手段とから成り、
上記所定の屈折率の液体と2種類以上の吸収率の異なる液体を、上記第1及び第2の液体供給手段によって、上記第1及び第2光透過構造体のそれぞれに供給することにより、透過光の位相と強度を空間的に変調する光学素子である。
[Solution 3] (Corresponding to Claim 7)
Solution means 3 taken to solve the above-described problem includes a first light-transmitting structure in which a plurality of light-transmitting structures for modulating the phase of transmitted light are stacked, and a liquid having a predetermined refractive index. First liquid supply means for selectively supplying to the light transmission structure;
A plurality of second light transmission structures disposed in the light transmission direction of the first light transmission structure and modulating the intensity of the transmitted light, and two or more types of liquids having different absorption rates are used as the plurality of second light. Second liquid supply means for supplying to the permeable structure,
The liquid having the predetermined refractive index and the liquid having two or more different absorptances are supplied to each of the first and second light transmission structures by the first and second liquid supply means, thereby transmitting the liquid. An optical element that spatially modulates the phase and intensity of light.

〔作 用〕
第1光透過構造体により透過光の位相を変調し、第2光透過構造体により透過光の強度を変調するので、上記解決手段2と同様に、透過光の空間位相を変調すると共に強度も変調することができる。
いわゆるMEMS(マイクロマシン・システム)技術の発展により、微細な3次元加工技術が実現されており、液体流路(第1及び第2光透過構造体)も立体的な形成が可能であり、光の透過方向に何層ものセル構造(第1及び第2光透過構造体)を配置することが可能である。液体流路を積層配置して、少なくともその一層に光吸収材料を導入することにより、透過光の位相と光強度を同時に制御することが可能である。
光吸収層での位相を一定にすることにより、位相変調層のみでの位相変調を行うことが可能である。また、この場合、光吸収層の厚みを変化させて透過強度の調整を行い、位相変調層で位相の補正を行うような、それぞれ独立した制御も可能となる。
[Operation]
Since the phase of the transmitted light is modulated by the first light transmitting structure and the intensity of the transmitted light is modulated by the second light transmitting structure, the spatial phase of the transmitted light and the intensity are also modulated, as in the above solution means 2. Can be modulated.
With the development of so-called MEMS (micromachine system) technology, fine three-dimensional processing technology has been realized, and liquid flow paths (first and second light transmission structures) can also be three-dimensionally formed. It is possible to arrange several layers of cell structures (first and second light transmission structures) in the transmission direction. By laminating and arranging the liquid flow paths and introducing the light absorbing material into at least one layer thereof, it is possible to simultaneously control the phase and the light intensity of the transmitted light.
By making the phase in the light absorption layer constant, it is possible to perform phase modulation only in the phase modulation layer. Also, in this case, independent control is possible in which the transmission intensity is adjusted by changing the thickness of the light absorption layer and the phase is corrected by the phase modulation layer.

〔実施態様5〕(請求項8に対応)
実施態様5は、上記解決手段1〜3、又は実施態様1〜4のいずれかの光学素子において、少なくとも一部の液体供給手段を透過する透過光を遮光する遮光部材を設けたことである。
〔作 用〕
流路部への光の透過を阻むマスク等の遮光部材を配置することにより、透過光は位相変調を行う領域のみを通すことになる。
[Embodiment 5] (corresponding to claim 8)
Embodiment 5 is that the optical element of any one of the above-described solving means 1 to 3 or embodiments 1 to 4 is provided with a light shielding member that shields transmitted light that passes through at least a part of the liquid supply means.
[Operation]
By disposing a light shielding member such as a mask that prevents transmission of light to the flow path, the transmitted light passes only through the region where phase modulation is performed.

〔実施態様6〕(請求項9に対応)
実施態様6は、上記解決手段1〜3、又は実施態様1〜5のいずれかの光学素子において、複数の光透過構造体の透過光を反射する反射層を備え、液体供給手段が該反射層の裏側に配置されていることである。
〔作 用〕
位相変調素子を反射型とするために、透過光に対しする反射層を配置している。その際、液体供給手段(流路)を該反射層の裏側に配置して、液体の供給を該反射層側から行うようにする。
[Embodiment 6] (corresponding to claim 9)
Embodiment 6 is the optical element according to any one of Solution 1 to 3 or Embodiments 1 to 5, further including a reflective layer that reflects the light transmitted through the plurality of light transmission structures, and the liquid supply unit includes the reflective layer. It is arranged on the back side.
[Operation]
In order to make the phase modulation element reflective, a reflective layer for transmitting light is arranged. At that time, liquid supply means (flow path) is arranged on the back side of the reflective layer so that liquid is supplied from the reflective layer side.

〔実施態様7〕(請求項10に対応)
実施態様7は、上記解決手段1〜3、又は実施態様1〜6のいずれかの光学素子において、複数の光透過構造体の透過光路長が異なっていることである。
〔作 用〕
光透過構造体自体でも透過光の位相に変化を与え、さらに屈折率が調整された液体を導入することにより位相変調を行う。
これにより位相変調幅として、必ずしも2πの位相変調が必要ない場合、又はある程度初期位相が分かっている光の位相変調を行う場合、僅かな量の液体を用いるだけで行うことができる。
[Embodiment 7] (corresponding to claim 10)
Embodiment 7 is that the optical path lengths of the plurality of light transmission structures are different in the optical element of any one of Solution 1 to 3 or Embodiments 1 to 6.
[Operation]
The light transmission structure itself also changes the phase of the transmitted light, and phase modulation is performed by introducing a liquid whose refractive index is adjusted.
As a result, when the phase modulation width does not necessarily require 2π phase modulation, or when performing phase modulation of light whose initial phase is known to some extent, it can be performed by using only a small amount of liquid.

〔解決手段4〕(請求項11に対応)
上記課題を解決するために講じた解決手段4は、上記解決手段1〜3、又は実施態様1〜7のいずれかの光学素子を空間位相変調素子として備え、該空間位相変調素子によりレーザ光を空間選択的に照射するレーザ加工装置である。
〔作 用〕
投影型のレーザ加工では、フォトマスクを透過したレーザ光による加工が行われている。その際、光の多くの部分はマスクで遮蔽され、エネルギー利用効率の低い加工となることがあった。回折素子やホログラム素子と呼ばれる素子を利用して、レーザ光の空間位相変調を行うことにより、例えば、集光レンズ焦点面において様々な形状を作成したり、レーザ光を分割したりすることが可能であり、マスク投影法に比べてエネルギー利用効率が高いというメリットがある。しかし、通常の位相変調素子では、高強度レーザでの利用や、紫外レーザでの利用が困難であることが多い。
これに対して、上記解決手段1〜3、又は実施態様1〜7の光学素子を空間位相変調素子としてレーザ加工装置に利用することにより、高強度レーザの位相変調が可能となり、高強度レーザでのホログラフィック加工が可能となる。
[Solution 4] (corresponding to claim 11)
Solution means 4 taken to solve the above-mentioned problem comprises the optical element according to any one of the above solution means 1 to 3 or embodiments 1 to 7 as a spatial phase modulation element, and laser light is emitted by the spatial phase modulation element. This is a laser processing apparatus that irradiates space selectively.
[Operation]
In the projection type laser processing, processing using laser light that has passed through a photomask is performed. At that time, a large part of the light is shielded by a mask, which may result in processing with low energy utilization efficiency. By using a so-called diffraction element or hologram element to perform spatial phase modulation of the laser beam, it is possible to create various shapes on the focal plane of the condenser lens or to split the laser beam, for example. Therefore, there is an advantage that the energy use efficiency is higher than that of the mask projection method. However, it is often difficult to use a normal phase modulation element with a high intensity laser or an ultraviolet laser.
On the other hand, by using the optical elements of the above-described solving means 1 to 3 or embodiments 1 to 7 as a spatial phase modulation element in a laser processing apparatus, phase modulation of a high intensity laser becomes possible. Holographic processing becomes possible.

〔解決手段5〕(請求項12に対応)
上記課題を解決するために講じた解決手段5は、上記解決手段1〜3、又は実施態様1〜7のいずれかの光学素子を空間位相変調素子として備え、該空間位相変調素子によりレーザ光を空間選択的に制御するレーザマニピュレーション装置である。
〔作 用〕
上記解決手段1〜3、又は実施態様1〜7の光学素子を空間位相変調素子としてレーザマニピュレーション装置に利用することにより、上記解決手段4と同様に高ピークパワーのレーザ光の制御が可能となり、ビームの分割、微小集光径、又は照射位置の調整が可能となる。
[Solution 5] (Corresponding to Claim 12)
Solution 5 taken in order to solve the above-described problem includes the optical element according to any one of Solution 1 to 3 or Embodiments 1 to 7 as a spatial phase modulation element, and laser light is emitted by the spatial phase modulation element. This is a laser manipulation device that controls space selectively.
[Operation]
By utilizing the optical elements of the above-mentioned solving means 1 to 3 or embodiments 1 to 7 as a spatial phase modulation element in a laser manipulation device, it becomes possible to control laser light with a high peak power in the same manner as the above-described solving means 4. It is possible to adjust the beam splitting, the minute condensing diameter, or the irradiation position.

本発明の効果を主な請求項毎に整理すると、次ぎのとおりである。
(1) 請求項1に係る発明
液体を利用しているため、広い波長領域で透過性の高い材料(液体)が存在し、紫外域での透明材料の選択幅が広く、屈折率の選択幅も広い。また、流路の長さ(透明セルの光路長)により、位相の大幅な変化が可能となり、穴加工のみにより位相変調素子を作製することが可能である。さらに、液体を流路(透明セル)に流すことにより、液体が劣化した場合でも新たな液体の導入が可能であり、劣化のない素子が実現できる。
(2) 請求項2に係る発明
液体の屈折率の調整を液体の混合によって行っているので、容易に屈折率の調整が可能であり、連続した(無限諧調での)屈折率の調整ができるばかりでなく、様々な屈折率の調整が可能となる。
The effects of the present invention are summarized for each main claim as follows.
(1) The invention according to claim 1 Since the liquid is used, there is a material (liquid) having a high transmittance in a wide wavelength region, a wide selection range of the transparent material in the ultraviolet region, and a selection range of the refractive index. Is also wide. In addition, the phase can be changed greatly depending on the length of the flow path (the optical path length of the transparent cell), and the phase modulation element can be manufactured only by drilling. Furthermore, by flowing the liquid through the flow path (transparent cell), a new liquid can be introduced even when the liquid deteriorates, and an element without deterioration can be realized.
(2) Invention of Claim 2 Since the refractive index of the liquid is adjusted by mixing the liquid, the refractive index can be easily adjusted, and the refractive index can be adjusted continuously (in infinite gradation). In addition, various refractive indexes can be adjusted.

(3) 請求3に係る発明
液体の屈折率の差による透過光の光学距離を最大2π位相差分として、液体の混合割合により0〜2πの位相変調を行っており、液体の混合によるそれ以上の位相変調を考える必要がないので、位相の算出が容易となる。
(4) 請求項4に係る発明
屈折率の異なる液体と光吸収性のある液体とを混合することにより、透過光の位相変調に加えて、同時に空間的強度の変調が可能であるので、3次元的なホログラム像の作成が容易であり、ホログラム像のノイズ低減やホログラムパタンの設計の簡便化が可能となる。
また、高精度で計算による算出が容易なホログラム素子を実現することができる。
(3) Invention according to claim 3 The optical distance of transmitted light due to the difference in the refractive index of the liquid is set to a maximum 2π phase difference, and phase modulation of 0 to 2π is performed by the mixing ratio of the liquid. Since there is no need to consider phase modulation, the phase can be easily calculated.
(4) Invention according to Claim 4 By mixing liquids having different refractive indexes and light-absorbing liquids, in addition to phase modulation of transmitted light, it is possible to simultaneously modulate spatial intensity. It is easy to create a two-dimensional hologram image, and it is possible to reduce the noise of the hologram image and simplify the design of the hologram pattern.
In addition, it is possible to realize a hologram element that is highly accurate and can be easily calculated.

(5) 請求項5に係る発明
可溶性の液体を選択することにより混合部での液体の混合が容易であるので、屈折率の均一性が高まり、液界面等の発生を防止することができる。また、種々の液体を利用することが可能であり、安価な材料を選択することができる。
(6) 請求項6に係る発明
混合する液体として溶液を用いて、溶質の濃度により屈折率を変化させるので、屈折率の調整が容易であり、溶液の選択範囲も広くすることができる。また、種々の溶質を用いることができるので、安価な材料を利用することが可能となる。
(5) The invention according to claim 5 By selecting a soluble liquid, it is easy to mix the liquid in the mixing section, so that the uniformity of the refractive index is increased and the occurrence of a liquid interface or the like can be prevented. In addition, various liquids can be used, and inexpensive materials can be selected.
(6) Invention of Claim 6 Since the refractive index is changed depending on the concentration of the solute using a solution as the liquid to be mixed, the refractive index can be easily adjusted, and the selection range of the solution can be widened. Moreover, since various solutes can be used, inexpensive materials can be used.

(7) 請求項7に係る発明
透過光の空間位相変調と強度変調を同時に制御すると共に、それぞれ独立して制御することができるので、従来困難とされていた空間光変調が可能となり、3次元的なホログラム像の作成が容易となり、ホログラム像のノイズ低減やホログラムパタンの設計の簡便化が可能となる。
また、請求項4に係る発明と同様に、高精度で計算による算出が容易なホログラム素子を実現することができる。
(8) 請求項8に係る発明
透過光は位相変調を行う領域のみを通ることになるので、ホログラム像のノイズ低減が可能であり、流路部での光回折による波面の変化を抑制することが可能となる。
(7) Invention of Claim 7 Since spatial phase modulation and intensity modulation of transmitted light can be controlled simultaneously and can be controlled independently of each other, spatial light modulation, which has been considered difficult in the past, becomes possible. Creation of a typical hologram image is facilitated, and noise reduction of the hologram image and simplification of the design of the hologram pattern are possible.
Further, similarly to the invention according to claim 4, it is possible to realize a hologram element that is highly accurate and easy to calculate by calculation.
(8) The invention according to claim 8 Since the transmitted light passes only through the region where the phase modulation is performed, the noise of the hologram image can be reduced, and the change of the wavefront due to the light diffraction in the flow path is suppressed. Is possible.

(9) 請求項9に係る発明
位相変調素子を反射型として、反射層の裏側に流路を配置することにより、透過型に比較して2倍の位相変調が可能であり、さらに流路部での光透過による影響を低減すると共に、構造を単純化することが可能となる。
(10) 請求項10に係る発明
屈折率が調整された液体と光透過構造体(セル)の透過光路長(厚さ)によって位相変調を行うことにより、位相変調幅として、必ずしも2πの位相変調が必要ない場合、又はある程度初期位相が分かっている光の位相変調を行う場合、僅かな量の液体を用いるだけでよいから、高精度の位相変調が可能であり、光透過構造体の加工が容易となる。これによりレーザ光の位相補償素子として機能することも可能である。
(9) The invention according to claim 9 By using the phase modulation element as a reflection type and disposing the flow path on the back side of the reflection layer, the phase modulation can be doubled as compared with the transmission type, and the flow path section. It is possible to reduce the influence due to light transmission in and to simplify the structure.
(10) The invention according to claim 10 The phase modulation width is not necessarily 2π by performing phase modulation with the liquid having a refractive index adjusted and the transmission optical path length (thickness) of the light transmission structure (cell). Is not necessary, or when phase modulation of light whose initial phase is known to some extent, it is only necessary to use a small amount of liquid, so high-precision phase modulation is possible, and processing of the light transmission structure is possible. It becomes easy. Accordingly, it is possible to function as a phase compensation element for laser light.

(11) 請求項11に係る発明
請求項1〜請求項10光学素子を空間位相変調素子としてレーザ加工装置に用いることにより、高強度レーザの位相変調が可能となり、高強度レーザでのホログラフィック加工が可能となるので、マスク投影に比べて大幅な効率的加工、例えば、マルチビームへの分割による高速加工、ビーム干渉による高精度加工、又はパタンを変化させる任意形状加工等を行うことが可能となる。
また、透過光の強度と位相を同時に変化させることにより、光の3次元的な強度分布形成が容易となり、内部改質加工、3次元形状加工、又は3次元露光(造形)等を容易に実現することができる。
(12) 請求項12に係る発明
請求項1〜請求項10光学素子を空間位相変調素子として、レーザマニピュレーション装置に用いることにより、高ピークパワーのレーザ光の制御が可能となるので、大きな粒子の移動、複数粒子の捕獲あるいは移動、照射パタン変化による連続移動、又は3次元移動等の粒子制御を実現することが可能である。
(11) Invention according to claim 11 By using the optical element as a spatial phase modulation element in a laser processing apparatus, phase modulation of a high-intensity laser becomes possible, and holographic processing with a high-intensity laser Therefore, it is possible to perform processing that is significantly more efficient than mask projection, for example, high-speed processing by splitting into multiple beams, high-precision processing by beam interference, or arbitrary shape processing that changes the pattern. Become.
In addition, by changing the intensity and phase of transmitted light at the same time, it is easy to form a three-dimensional intensity distribution of light and easily realize internal modification processing, three-dimensional shape processing, or three-dimensional exposure (modeling). can do.
(12) Invention of claim 12 Claims 1 to 10 By using the optical element as a spatial phase modulation element in a laser manipulation device, it becomes possible to control high peak power laser light. It is possible to realize particle control such as movement, capture or movement of a plurality of particles, continuous movement by changing an irradiation pattern, or three-dimensional movement.

様々な光源、特に高強度レーザ光や短パルスレーザ光に対しても利用可能である空間位相変調素子を実現すると共に、従来では困難であった空間位相変調素子による強度と位相変調の同時制御をするという目的を、光学素子の透明セル中に屈折率の異なる液体を導入し、この液体の屈折率変化により位相変調を行うという、比較的単純な構造でしかも安価に実現した。   Realizes spatial phase modulation elements that can be used for various light sources, especially high-intensity laser light and short-pulse laser light, and simultaneously controls intensity and phase modulation using spatial phase modulation elements, which was difficult in the past. This was achieved with a relatively simple structure at low cost by introducing liquids having different refractive indexes into the transparent cell of the optical element and performing phase modulation by changing the refractive index of the liquid.

本発明の実施例1(請求項1〜3に対応)について、図1−1〜図2を参照しながら説明する。図1−1〜図2はいずれも光学素子の模式図である。
光学素子10は、透明基板1内に光を透過する多数のセル2,2…が、例えばマトリクス状に形成されて成り、これらのセル2,2…に対して微細流路3,3…によって液体が導入できるように配置されている。このとき、微細流路3,3…は三次元的に配置することが可能であり、例えば各セル2,2…ごとに導入口4や排出口5などが設けられる。上記透明基板1の材料としては、例えば、石英、アクリル等の透明高分子材料が好適であり、可視、近い赤外光を入射する場合は、ガラス、ポリカーボネート等の高分子材料を用いることができる。
そして、この光学素子10において、図1−1(a)では紙面に垂直な方向から光が入射され、(b)では紙面の左方向から光が入射される。
これら立体的なセル2,2…の加工は、フォトリソグラフィとドライエッチングによる加工及び接着法あるいはレーザによる3次元造形、レーザによる直接加工あるいは内部加工等の技術により実現可能である。現在においては、特に深さ方向等でナノオーダの精度でこれら加工を実現することができる。
Example 1 (corresponding to claims 1 to 3) of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 1-1 and 2 are schematic views of optical elements.
The optical element 10 includes a large number of cells 2, 2... That transmit light in the transparent substrate 1, for example, formed in a matrix, and these cells 2, 2. It is arranged so that liquid can be introduced. At this time, the fine flow paths 3, 3... Can be arranged in a three-dimensional manner. For example, an introduction port 4 and a discharge port 5 are provided for each cell 2, 2,. As the material of the transparent substrate 1, for example, a transparent polymer material such as quartz or acrylic is suitable. When visible or near infrared light is incident, a polymer material such as glass or polycarbonate can be used. .
In this optical element 10, light is incident from a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1-1 (a), and light is incident from the left direction of the paper surface in (b).
The processing of these three-dimensional cells 2, 2,... Can be realized by techniques such as processing by photolithography and dry etching, adhesion method, laser three-dimensional modeling, direct processing by laser, or internal processing. At present, these processes can be realized with nano-order accuracy, particularly in the depth direction.

このように高精度に加工された立体的なセルに屈折率の異なる液体を各セルごとに導入する。液体供給手段としては、液体タンクからバルブを介して流路を接続して液体を供給し、また、液体をポンプ等で吸引して排出タンクへ排出する等により、セルに対する液体の供給・排出が可能である。そして、バルブの流量調整やバルブ径により流量を調整することが望ましい。また、排出タンクに排出するのみでなく、流路を循環型とすることにより繰り返し液体を導入することも可能である。この時、途中にフィルター等を設けて不純物やゴミ等の排除をすることも可能である。
液体には、照射レーザ光に対して透過性のある液体を用いることができ、例えばナトリウム塩、塩などの水溶液を用いることにより、水の広い透過領域に対応した広い波長幅において屈折率変調を実現することができる。これにより、例えば従来困難であった193nmの真空紫外光の空間変調も可能となる。この他にエタノールやイソプロピルアルコール等のアルコールやシリコンオイル、顕微鏡に用いられるイマルジョンオイル等多くの溶液や液体が利用可能であり、これらを混ぜ合わせて屈折率を変化せしめることも可能である。
Thus, liquids having different refractive indexes are introduced into the three-dimensional cells processed with high accuracy for each cell. As the liquid supply means, liquid is supplied to and discharged from the cell by connecting a flow path from the liquid tank via a valve to supply the liquid, and sucking the liquid with a pump or the like and discharging it to the discharge tank. Is possible. Then, it is desirable to adjust the flow rate by adjusting the flow rate of the valve or the valve diameter. In addition to discharging to the discharge tank, it is possible to repeatedly introduce the liquid by making the flow path a circulation type. At this time, it is possible to remove impurities and dust by providing a filter or the like in the middle.
As the liquid, a liquid that is transmissive to the irradiation laser beam can be used. For example, by using an aqueous solution of sodium salt, salt, etc., refractive index modulation can be performed over a wide wavelength range corresponding to a wide transmission region of water. Can be realized. Thereby, for example, spatial modulation of 193 nm vacuum ultraviolet light, which has been difficult in the past, is also possible. In addition, many solutions and liquids such as alcohols such as ethanol and isopropyl alcohol, silicone oil, and immersion oil used in microscopes can be used, and these can be mixed to change the refractive index.

液体の選択はそれぞれの流路に個別に異なる液体を接続して、屈折率の異なる液体を選択的に流路に流すことにが可能であり、同一の液体を異なるセルに流すためには、そのセルごとに供給タンクから液体選択バルブ等の開閉により、液体のを選択を行うことが可能である。この選択バルブを複数用意することにより、多数の液体の一つを選択して流路に導入することが可能となる。
この透明基板1に光を入射することにより、空間的に位相分布を生じる透過光の生成が可能となる。このときセル2,2…の高さや幅は任意に選ぶことができる。
これらの各セル2,2…は液体をフローさせることが可能であるので、順次あるいは必要に応じて各セルの位相変調を変化させることが可能であり、時間経過と共に変化する位相変調器としての機能を果たすことができる。
The liquid can be selected by connecting different liquids individually to the respective flow paths, so that liquids having different refractive indexes can be selectively flowed to the flow paths. In order to flow the same liquid to different cells, It is possible to select the liquid for each cell by opening and closing a liquid selection valve or the like from the supply tank. By preparing a plurality of the selection valves, one of a large number of liquids can be selected and introduced into the flow path.
By making light incident on the transparent substrate 1, it is possible to generate transmitted light that spatially generates a phase distribution. At this time, the height and width of the cells 2, 2... Can be arbitrarily selected.
Since each of these cells 2, 2... Can flow a liquid, it is possible to change the phase modulation of each cell sequentially or as necessary, as a phase modulator that changes over time. Can fulfill the function.

この場合セルはマトリクス形状である必要はなく、流路として、例えば図1−2に示すセル12,12…のような線状の形状としても良い。このとき液体は複数種類のもの(屈折率が異なるもの)を流路13を通じて流すことができ、それぞれの流路13を液体14又は液体15といった違う種類のものにバルブ16,17等により切り替えて利用することもできる。また、液体を循環させるため液体排出部18を利用して、循環して用いることも可能である。
このように、透過光の位相を変化させる材料として、液体を利用しているため、広い波長領域で透過性の高い材料(液体)が存在し、紫外域での透明材料の選択幅が広く、屈折率の選択幅も広い。また、流路の長さ(透明セルの光路長)により、位相の大幅な変化が可能となり、穴加工のみにより位相変調素子を作製することが可能である。さらに、液体を流路(透明セル)に流すことにより、液体が劣化した場合でも新たな液体の導入が可能であり、劣化のない素子を実現することができる。
In this case, the cells do not need to have a matrix shape, and the flow path may have a linear shape such as cells 12, 12,... Shown in FIG. At this time, a plurality of types of liquids (those having different refractive indexes) can be flowed through the flow path 13, and each flow path 13 is switched to a different type such as a liquid 14 or a liquid 15 by valves 16, 17, etc. It can also be used. It is also possible to circulate and use the liquid discharger 18 to circulate the liquid.
As described above, since a liquid is used as a material for changing the phase of transmitted light, there is a highly transparent material (liquid) in a wide wavelength region, and there is a wide selection range of a transparent material in the ultraviolet region. There is a wide selection range of refractive index. In addition, the phase can be changed greatly depending on the length of the flow path (the optical path length of the transparent cell), and the phase modulation element can be manufactured only by drilling. Furthermore, by flowing the liquid through the flow path (transparent cell), a new liquid can be introduced even when the liquid deteriorates, and an element without deterioration can be realized.

次に、図2に示されている光学素子30は、各セルに導入する液体の屈折率の調整を、2種類の液体を混合することによって簡便に行えるようにしたものである。
複数のセル22,22…に流路23から液体を導入する際、液体24と液体25の混合過程を設ける。これは、例えばコック26とコック27により各液体の量を調整した後、分岐型流路で混合することによって行うことができる。このような混合は素子内で行う必要はなく、外部に混合機構を設けることも可能である。このように量を調整して混合された液体は、流路の選択を、例えば液体の導入穴位置を変化させる移動機構29等により導入位置を選択しながら行うことが可能である。また、導入位置を選択することにより同一屈折率の液体(材料)を同時に複数のセル22,22…に導入することもできる。このように液体を混合して導入することにより、容易に屈折率の調整が可能であり、連続した(無限諧調での)屈折率の調整ができるばかりでなく、様々な屈折率の調整が可能となる。
Next, in the optical element 30 shown in FIG. 2, the refractive index of the liquid introduced into each cell can be easily adjusted by mixing two kinds of liquids.
When the liquid is introduced from the flow path 23 into the plurality of cells 22, 22..., A mixing process of the liquid 24 and the liquid 25 is provided. This can be performed, for example, by adjusting the amount of each liquid by the cock 26 and the cock 27 and then mixing in the branched flow path. Such mixing does not need to be performed inside the device, and a mixing mechanism can be provided outside. The liquid mixed by adjusting the amount in this way can be selected while selecting the introduction position by, for example, the moving mechanism 29 that changes the position of the introduction hole of the liquid. Further, by selecting the introduction position, the liquid (material) having the same refractive index can be simultaneously introduced into the plurality of cells 22, 22. By mixing and introducing liquids in this way, it is possible to easily adjust the refractive index, not only to adjust the refractive index continuously (infinite gradation), but also to adjust various refractive indexes. It becomes.

次に、屈折率の異なる2種類の液体を混合することにより、透過光の位相差を2πまで連続的に変調可能にする光学素子について説明する。
屈折率の異なる2種類の液体における最大屈折率と最小屈折率に合わせて、セルの光透過距離を変化させる。例えば、屈折率1.4と1.5のオイルを混合して用いる際、照射レーザ光の波長を400nmとする時、セルの光透過距離を4ミクロンの整数倍とする。このとき低屈折率側の位相変化は14*2π、高屈折率側では15*2π=14*2π+2πとなり、その差分は丁度2πとなる。この2種類の液体の混合液の屈折率はその中間値をとり得るから、液体の混合割合を変えることにより2π以内の位相変調が可能となる。
このように、液体の屈折率の差による透過光の光学距離を最大2π位相差分として、液体の混合割合により0〜2πの位相変調を行っているので、液体の混合によるそれ以上の位相変調を考える必要がなく、位相の算出が容易である。
Next, an optical element capable of continuously modulating the phase difference of transmitted light to 2π by mixing two kinds of liquids having different refractive indexes will be described.
The light transmission distance of the cell is changed in accordance with the maximum refractive index and the minimum refractive index in two types of liquids having different refractive indexes. For example, when a mixture of oils having a refractive index of 1.4 and 1.5 is used, the light transmission distance of the cell is an integral multiple of 4 microns when the wavelength of the irradiation laser light is 400 nm. At this time, the phase change on the low refractive index side is 14 * 2π and on the high refractive index side is 15 * 2π = 14 * 2π + 2π, and the difference is exactly 2π. Since the refractive index of the mixed liquid of these two types of liquids can take an intermediate value, phase modulation within 2π can be performed by changing the mixing ratio of the liquids.
Thus, since the optical distance of the transmitted light due to the difference in the refractive index of the liquid is set to a maximum 2π phase difference, the phase modulation of 0 to 2π is performed according to the mixing ratio of the liquid. There is no need to consider, and the calculation of the phase is easy.

本発明の実施例2(請求項4〜6に対応)について、図3を参照しながら説明する。図3は光学素子の上面図と側面図である。
従来の位相変調素子では、単一材料において屈折率を制御しているため強度の変調を同時に行うことが難しく、3次元的なホログラム像の再生が困難であり、ホログラム像のノイズの低減やホログラム設計が困難であった。
この実施例2の光学素子40は、屈折率と光吸収率の異なる3種類状の液体を混合して用いることにより、空間位相変調と共に強度も変調することができる。
図3に示すように、透明基板31内に複数のセル32,33を形成する。これらのセル32,33は3次元的に配置することが可能であり、ここでは例えば第一層にセル32,32…を2次元に、第二層にセル33,33…を2次元に配置している。このようなセルの配置は、ほぼ同一構造のセルを積層することにより実現可能であり、平面の重ね合わせにより加工し易いメリットがある。
なお、図3(a)の上面図では紙面に垂直な方向から光が入射し、(b)の側面図では紙面の上側方向から光が入射する。
Example 2 (corresponding to claims 4 to 6) of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a top view and a side view of the optical element.
In the conventional phase modulation element, since the refractive index is controlled in a single material, it is difficult to perform intensity modulation at the same time, and it is difficult to reproduce a three-dimensional hologram image. It was difficult to design.
The optical element 40 of the second embodiment can modulate intensity as well as spatial phase modulation by using a mixture of three types of liquids having different refractive indexes and light absorption rates.
As shown in FIG. 3, a plurality of cells 32 and 33 are formed in the transparent substrate 31. These cells 32, 33 can be arranged three-dimensionally. Here, for example, the cells 32, 32... Are arranged two-dimensionally in the first layer and the cells 33, 33. is doing. Such an arrangement of cells can be realized by stacking cells having substantially the same structure, and has an advantage of being easily processed by superimposing planes.
In the top view of FIG. 3A, light enters from a direction perpendicular to the paper surface, and in the side view of FIG. 3B, light enters from the upper side of the paper surface.

このとき各セル32,33には、それぞれ屈折率の異なる液体(溶液)用の流路34,35などが配置されると共に、上記液体用の流路34の液体と同じ屈折率を有し、吸収材料を溶解した吸収性液体用の流路36も配置される。このとき各流路34,35,36への液体(溶液)の導入量を調整することにより、透過光の強度と位相を変調することができる。流路34と流路36からの導入量の割合で透過光強度を変調することができ、流路34と流路36の導入量の和と、流路35の導入量の割合で透過光の位相を変調することができる。
液体の各セルへの導入は、それぞれのセルへの接続口を3次元的に配置することにより実現可能であり、2次元に加工したバルブ付きの導入流路を貼り合わせるか、あるいは重ねて配置することにより実現できる。この流路への配管はガラス等の構造体である必要はなく、微細なプラスチックのチューブや微細な管を接着する等により実現できる。
At this time, the cells 32 and 33 are provided with liquid (solution) flow paths 34 and 35 having different refractive indexes, respectively, and have the same refractive index as the liquid in the liquid flow path 34. An absorptive liquid flow path 36 in which the absorbent material is dissolved is also disposed. At this time, the intensity and phase of transmitted light can be modulated by adjusting the amount of liquid (solution) introduced into each flow path 34, 35, 36. The transmitted light intensity can be modulated by the ratio of the introduction amount from the flow path 34 and the flow path 36, and the transmitted light intensity can be modulated by the sum of the introduction amount of the flow path 34 and the flow path 36 and the ratio of the introduction amount of the flow path 35. The phase can be modulated.
The introduction of liquid into each cell can be realized by three-dimensionally arranging the connection ports to each cell, and two-dimensionally processed introduction channels with valves are bonded together or arranged in layers. This can be achieved. The piping to this flow path does not need to be a structure such as glass, and can be realized by bonding a fine plastic tube or a fine tube.

このように構成することにより、各セルごとに透過光の位相と強度を同時に変調することが可能となる。また、上記のように複数のセルを積層して構成することによって、強度のみあるいは位相のみというようにそれぞれ独立して制御することができ、さらに多層配置とし、それぞれ異なった液体を導入することで、精密に強度あるいは位相を制御することができる。
上記説明では複数のセルを積層したものについて記載したが、単層のものにおいても混合液体の種類、混合割合を変化させることで、透過光の位相と強度を同時に変調することが可能である。
以上のように、屈折率の異なる液体と光吸収性のある液体とを混合することにより、透過光の位相変調に加えて、同時に空間的強度の変調が可能であるので、3次元的なホログラム像の作成が容易であり、ホログラム像のノイズ低減やホログラムパタンの設計が簡便にできるようになる。また、高精度で計算による算出が容易なホログラム素子を実現することができる。
With this configuration, it is possible to simultaneously modulate the phase and intensity of transmitted light for each cell. In addition, by stacking a plurality of cells as described above, it is possible to control each of them independently such as only the intensity or only the phase. Furthermore, by adopting a multilayer arrangement and introducing different liquids, respectively. The intensity or phase can be precisely controlled.
In the above description, a plurality of cells are stacked. However, even in the case of a single layer, it is possible to simultaneously modulate the phase and intensity of transmitted light by changing the type of liquid mixture and the mixing ratio.
As described above, by mixing liquids having different refractive indexes and light-absorbing liquids, in addition to phase modulation of transmitted light, spatial intensity can be modulated at the same time, so a three-dimensional hologram It is easy to create an image, and the noise reduction of the hologram image and the design of the hologram pattern can be easily performed. In addition, it is possible to realize a hologram element that is highly accurate and can be easily calculated.

次に、光学素子のセルに導入する液体について説明する。液体としては、2種類以上の可溶性のものを用いることにより、屈折率が連続して変化する材料として用いることができる。これは、例えば2種類のアルコール等を用いて容易に実現できる。アルコール同士は混合が可能であり、混合液は2種類の液体の中間値となるので、アルコールの屈折率も混合割合に応じて連続して変化させることができる。
このように、可溶性の液体を選択することにより混合部での液体の混合が容易であるので、屈折率の均一性が高まり、液界面等の発生を防止することができる。また、種々の液体を利用することが可能であり、安価な材料を選択することができる。
Next, the liquid introduced into the cell of the optical element will be described. The liquid can be used as a material whose refractive index continuously changes by using two or more kinds of soluble materials. This can be easily realized using, for example, two types of alcohol. Alcohols can be mixed with each other, and the mixed liquid has an intermediate value between the two liquids. Therefore, the refractive index of the alcohol can be continuously changed according to the mixing ratio.
As described above, since the liquid can be easily mixed in the mixing portion by selecting the soluble liquid, the uniformity of the refractive index can be increased and the occurrence of a liquid interface or the like can be prevented. In addition, various liquids can be used, and inexpensive materials can be selected.

また、別の液体としては、2種類以上の同一溶媒の液体を用いることにより、屈折率が連続して変化する材料として用いることができる。これは、例えば2種類の濃度の異なる食塩水等を用いて容易に実現できる。混合液は濃度が2種類の液体の中間値となるので、屈折率も濃度に応じて連続して変化させることができる。これは、その他の塩の水溶液等でも同様に、混合割合により屈折率変化を実現することができる。
このように、混合する液体として溶液を用いて、溶質の濃度により屈折率を変化させるので、屈折率の調整が容易であり、溶液の選択範囲も広くすることができる。また、種々の溶質を用いることができるので、安価な材料を利用することが可能である。
Moreover, as another liquid, it can use as a material from which a refractive index changes continuously by using the liquid of two or more types of the same solvents. This can be easily realized using, for example, two types of saline solutions having different concentrations. Since the liquid mixture has an intermediate value between the two kinds of liquids, the refractive index can be continuously changed according to the concentration. Similarly, the refractive index change can be realized by the mixing ratio even in the case of an aqueous solution of other salts.
Thus, since the refractive index is changed depending on the concentration of the solute using the solution as the liquid to be mixed, the refractive index can be easily adjusted and the selection range of the solution can be widened. Moreover, since various solutes can be used, inexpensive materials can be used.

本発明の実施例3(請求項7、8に対応)について、図4及び図5を参照しながら説明する。図4は光学素子の側面図であり、光は紙面の上側方向から入射する。図5は光学素子の上面図ある。
この実施例3の光学素子50は、複数種類の液体を用いて、位相変調と強度変調を一緒に行うものであって、透過光の位相と強度を独立して変調可能なものである。
この光学素子50は、上記図3に示されているものと同様に、立体的なセル42,43,44を透明基板41内に形成し、透過光の位相変調は、セルを選択して、例えばセル43とセル44に液体を導入することにより、それぞれのセルの積層によって実現している。このような構成により、容易に位相の加算をすることが可能となる。
また、この光学素子50においては、上記のような位相変調の制御に加えて、光吸収性の液体を導入するセル45を別途配置する。この光吸収性の液体を導入するセルごとに、例えば光吸収材料の濃度を変えた液体(溶液)を流路46により導入する。このとき、セル45は位相変調用のセル42〜44と同一の高さにする必要はなく、独立して光透過長さを設定することが可能である。このような光吸収性液体用のセル45を配置することにより、透過光の位相のみでなく強度も同時に独立して変調することができる。
A third embodiment (corresponding to claims 7 and 8) of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a side view of the optical element, and light enters from the upper side of the drawing. FIG. 5 is a top view of the optical element.
The optical element 50 of the third embodiment performs phase modulation and intensity modulation together using a plurality of types of liquids, and can modulate the phase and intensity of transmitted light independently.
This optical element 50 is formed with three-dimensional cells 42, 43, and 44 in the transparent substrate 41 in the same manner as shown in FIG. 3, and the phase modulation of transmitted light selects the cells, For example, by introducing a liquid into the cell 43 and the cell 44, it is realized by stacking the cells. With such a configuration, it is possible to easily add phases.
In this optical element 50, in addition to the above-described phase modulation control, a cell 45 for introducing a light-absorbing liquid is separately arranged. For each cell into which the light-absorbing liquid is introduced, for example, a liquid (solution) having a changed concentration of the light-absorbing material is introduced through the flow path 46. At this time, the cell 45 does not need to have the same height as the cells 42 to 44 for phase modulation, and the light transmission length can be set independently. By disposing such a light-absorbing liquid cell 45, not only the phase of transmitted light but also the intensity can be modulated independently at the same time.

以上のように、透過光の空間位相変調と強度変調を同時に制御すると共に、それぞれ独立して制御することができるので、従来困難とされていた空間光変調が可能となり、3次元的なホログラム像の作成が容易となり、ホログラム像のノイズ低減やホログラムパタンの設計が簡便にできるようになる。
また、上記実施例2と同様に、高精度で計算による算出が容易なホログラム素子を実現することができる。
As described above, since spatial phase modulation and intensity modulation of transmitted light can be controlled simultaneously and independently, spatial light modulation, which has been difficult in the past, can be realized, and a three-dimensional hologram image can be obtained. This makes it easy to reduce the noise of the hologram image and to design the hologram pattern.
Further, similarly to the second embodiment, it is possible to realize a hologram element that is highly accurate and can be easily calculated.

光学素子60は、上記図4に示されている光学素子50等において、セルとセルの間の部分を遮光することにより、セル以外の部分(特に流路部)による影響を抑制するものである。
図5に示すように、例えば、流路が形成されている個所に遮光用フォトマスク54を配置する。この遮光用フォトマスク54は、透明基板51へ蒸着した金属をエッチングする等して、容易に形成することが可能である。これによって、通常は積層されていたり複雑に配置されている流路53を透過する光を除くことができ、セル52のみによって一層制御された位相変調を行うことが可能となる。
このように、透過光は位相変調を行う領域のみを通ることになるので、ホログラム像のノイズ低減が可能であり、流路部での光回折による波面の変化を抑制することが可能となる。
上記遮光用フォトマスク54等の遮光部材は、本実施例3の光学素子に限らず、上記実施例1及び実施例2の全ての光学素子においても同様に配置し得ることは勿論である。
The optical element 60 in the optical element 50 shown in FIG. 4 or the like shields the influence between parts other than the cell (particularly the flow path part) by shielding the part between the cells. .
As shown in FIG. 5, for example, a light-shielding photomask 54 is disposed at a location where a flow path is formed. The light-shielding photomask 54 can be easily formed by etching metal deposited on the transparent substrate 51. As a result, it is possible to remove light that normally passes through the flow paths 53 that are stacked or arranged in a complicated manner, and it is possible to perform phase modulation that is more controlled only by the cells 52.
In this way, since the transmitted light passes only through the region where phase modulation is performed, noise in the hologram image can be reduced, and a change in wavefront due to light diffraction in the flow path can be suppressed.
Needless to say, the light shielding member such as the light shielding photomask 54 is not limited to the optical element of the third embodiment, and can be similarly arranged in all the optical elements of the first and second embodiments.

本発明の実施例4(請求項9に対応)について、図6を参照しながら説明する。図6は光学素子の斜視図であり、光は紙面の上側方向から入射する。
この実施例4の光学素子70は、反射層を設けて反射型とすることにより、流路部からの透過光の影響を抑制すると共に、位相変調を増大させるものである。
図6に示すように、透明基板61内に形成されたセル62は、液体導入口63と排出口64を経由して流路に連通されるように、例えばマトリクス状に配置されている。このセル62の背面(図6の下側)には、入射レーザ光用の反射ミラーコーティングされた反射層65が配置される。この反射層65は、多層膜や金属材料を透明基板にスパッタ法により堆積させるか、あるいはバルク基板を接触させる等により実現可能である。このとき入射した光は反射層65で反射され、セル62の屈折率を変調することによって反射型の空間位相変調器となる。
Example 4 (corresponding to claim 9) of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a perspective view of the optical element, and light is incident from above in the drawing.
The optical element 70 of the fourth embodiment is provided with a reflective layer and is of a reflective type so as to suppress the influence of transmitted light from the flow path portion and increase phase modulation.
As shown in FIG. 6, the cells 62 formed in the transparent substrate 61 are arranged in a matrix, for example, so as to communicate with the flow path via the liquid inlet 63 and the outlet 64. On the back surface of the cell 62 (lower side in FIG. 6), a reflection layer 65 coated with a reflection mirror for incident laser light is disposed. The reflective layer 65 can be realized by depositing a multilayer film or a metal material on a transparent substrate by sputtering, or contacting a bulk substrate. The incident light at this time is reflected by the reflective layer 65, and becomes a reflective spatial phase modulator by modulating the refractive index of the cell 62.

このように構成することにより、2次元的に配置されたセルを用いる場合に問題となる流路での光透過による影響を低減することができる。マトリクス型にセルを配置した透過型光学素子では、流路部の光透過量はセル以外の流路の面積により影響されるが、流路を反射面の裏側に配置し、セルの面積に対して、流路の径をかなり小さくすることにより、流路によるセルの位相変調の誤差を透過型に比べ大幅に低減することができる。
以上のように、位相変調素子を反射型として、反射層の裏側に流路を配置することにより、透過型に比較して2倍の位相変調が可能であり、さらに流路部での光透過による影響を低減すると共に、構造を単純化することができる。
上記実施例1〜実施例3の光学素子(図1−1〜図5を参照)は透過型のものとして説明しているが、これらの光学素子においても、反射層を配置することにより反射型光学素子として構成し得ることは言うまでもない。このとき光路は2倍の距離となるため、変化量は2倍となる。そのため透過型より2倍の変調が可能となる。
With this configuration, it is possible to reduce the influence of light transmission through the flow path, which is a problem when using cells arranged two-dimensionally. In a transmissive optical element in which cells are arranged in a matrix type, the amount of light transmitted through the flow channel is affected by the area of the flow channel other than the cell. Thus, by making the diameter of the flow path considerably small, the cell phase modulation error due to the flow path can be greatly reduced compared to the transmission type.
As described above, the phase modulation element is made a reflection type, and the flow path is arranged on the back side of the reflection layer, so that the phase modulation can be doubled compared to the transmission type, and the light is transmitted through the flow path. In addition, the structure can be simplified.
Although the optical elements (see FIGS. 1-1 to 5) of the first to third embodiments are described as transmissive types, these optical elements are also reflective by disposing a reflective layer. Needless to say, it can be configured as an optical element. At this time, since the optical path is doubled, the amount of change is doubled. Therefore, it is possible to modulate twice as much as the transmission type.

本発明の実施例5(請求項10に対応)について、図7を参照しながら説明する。図7は光学素子の正面断面図である。
この実施例5の光学素子80は、わずかな位相変化による高精度の位相変調が可能なものであり、位相変調を同一の厚みのセルではなく、厚みの異なるセルを用いるものである。
この光学素子80は、図7に示すように、透明基板71内に光を透過する多数のセルが形成され、レーザ光は同図の上側方向から入射するようにし、反射膜74により反射して利用するよう構成されている。このときセル72とセル73の厚みを変えることにより、位相変化量を調整しておき、このセルに液体を流すことにより、上記実施例1において説明したと同じ原理で位相の空間変調が行われる。予めセルの厚さ(透過光路長)を調整することによって、例えば僅かな屈折率の変化で大きな位相変調を行ったり、位相の精密な制御を行うことが可能となる。
このように、屈折率が調整された液体とセルの透過光路長(厚さ)によって位相変調を行うことにより、位相変調幅として、必ずしも2πの位相変調が必要ない場合、又はある程度初期位相が分かっている光の位相変調を行う場合、僅かな量の液体を用いるだけでよいから、高精度の位相変調が可能であり、セルの加工が容易となる。これによりレーザ光の位相補償素子として機能することも可能である。
Embodiment 5 (corresponding to claim 10) of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a front sectional view of the optical element.
The optical element 80 of the fifth embodiment is capable of high-accuracy phase modulation by slight phase change, and uses phase-modulated cells instead of cells having the same thickness.
As shown in FIG. 7, the optical element 80 is formed with a large number of cells that transmit light in a transparent substrate 71, and the laser light is incident from the upper side of the figure and reflected by the reflective film 74. It is configured to be used. At this time, the phase change amount is adjusted by changing the thicknesses of the cell 72 and the cell 73, and the phase is spatially modulated on the same principle as described in the first embodiment by flowing the liquid into the cell. . By adjusting the cell thickness (transmission optical path length) in advance, for example, a large phase modulation can be performed with a slight change in refractive index, or a precise phase control can be performed.
In this way, by performing phase modulation using the liquid having the refractive index adjusted and the transmission optical path length (thickness) of the cell, the phase modulation width does not necessarily require 2π phase modulation, or the initial phase is known to some extent. In the case of phase modulation of the light, it is only necessary to use a small amount of liquid, so that high-accuracy phase modulation is possible and cell processing is facilitated. Accordingly, it is possible to function as a phase compensation element for laser light.

本発明の実施例6(請求項11、12に対応)として、本発明の光学素子を具体的に適用する場合の種々の例について、図8〜図11を参照しながら説明する。
最初に、本発明の光学素子を位相変調素子として適用したレーザ加工装置について、図8を用いて説明する。
このレーザ加工装置90においては、図8(a)に示されているように、レーザ81から出射されたレーザ光は、例えば透過型の空間位相変調素子82により位相変調され、レンズ83で集光され加工サンプル84上に照射される。このとき位相変調素子82と加工サンプル84の位置をレンズ83の焦点距離fの位置に配置する。そして、この位相変調素子82は、液体制御装置85により所望の変調になるよう調整される。
As Example 6 (corresponding to claims 11 and 12) of the present invention, various examples when the optical element of the present invention is specifically applied will be described with reference to FIGS.
First, a laser processing apparatus to which the optical element of the present invention is applied as a phase modulation element will be described with reference to FIG.
In this laser processing apparatus 90, as shown in FIG. 8A, the laser light emitted from the laser 81 is phase-modulated by, for example, a transmissive spatial phase modulation element 82 and condensed by a lens 83. Then, the processed sample 84 is irradiated. At this time, the positions of the phase modulation element 82 and the processed sample 84 are arranged at the position of the focal length f of the lens 83. The phase modulation element 82 is adjusted by the liquid control device 85 to achieve a desired modulation.

このとき位相変調素子82を、例えば図8(b)の86で示すような位相分布とする。ここでは白が0、黒が2πの位相とし、グレーはその中間位相とする。
この位相変調素子の屈折率変調セルは、例えば64×64のセルにそれぞれ個別の液体を導入することにより実現可能であり、例えば図6のセルを必要個数だけ準備し、その中に空間選択的に屈折率の異なる液体を導入することにより実現することができる。
このような位相変調像を図8(a)に示したレーザ加工装置において用いると、像再生により加工サンプル84の表面に図8(b)の87で示すAという文字の強度分布が形成され、この形に加工することができる。これは単なる一例であり、このように位相変調を行うことによるホログラム再生により、様々な形状を作製することが可能となる。
以上のように、上記実施例1〜実施例5の光学素子をレーザ加工装置に適用することにより、高強度レーザの位相変調が可能となり、高強度レーザでのホログラフィック加工が可能となるので、マスク投影に比べて大幅な効率的加工、例えば、マルチビームへの分割による高速加工、ビーム干渉による高精度加工、又はパタンを変化させる任意形状加工等を行うことが可能となる。
また、透過光の強度と位相を同時に変化させることにより、光の3次元的な強度分布形成が容易となり、内部改質加工、3次元形状加工、又は3次元露光(造形)等を容易に実現することができる。
At this time, the phase modulation element 82 has a phase distribution as indicated by 86 in FIG. Here, white has a phase of 0 and black has a phase of 2π, and gray has an intermediate phase.
The refractive index modulation cell of this phase modulation element can be realized by introducing individual liquids into, for example, 64 × 64 cells. For example, a necessary number of cells shown in FIG. 6 are prepared and spatially selective. This can be realized by introducing liquids having different refractive indexes.
When such a phase-modulated image is used in the laser processing apparatus shown in FIG. 8A, an intensity distribution of the letter A indicated by 87 in FIG. 8B is formed on the surface of the processed sample 84 by image reproduction, It can be processed into this shape. This is merely an example, and various shapes can be produced by hologram reproduction by performing phase modulation in this way.
As described above, by applying the optical elements of Examples 1 to 5 to the laser processing apparatus, phase modulation of the high-intensity laser becomes possible, and holographic processing with the high-intensity laser becomes possible. Compared with mask projection, it is possible to perform highly efficient processing, for example, high-speed processing by splitting into multiple beams, high-precision processing by beam interference, or arbitrary shape processing that changes the pattern.
In addition, by changing the intensity and phase of transmitted light at the same time, it is easy to form a three-dimensional intensity distribution of light and easily realize internal modification processing, three-dimensional shape processing, or three-dimensional exposure (modeling). can do.

さらに、本発明の光学素子である位相変調素子について、図9を参照しながら説明する。
図9(a)に示されているのは液体の屈折率分布セル構造であり、セルの本数と屈折率により空間的に屈折率分布を作製したものでる。この構造体に対して円形のレーザ光を照射した場合の強度分布を図9(b)に示す。このように液体の配置により円形のレーザ光を直線のビームへ変換することが可能となる。このように液体の屈折率分布に対応してビームの形状を変化させたり、位相レーザ光の収差を補正することも可能である。
この形状は計算により求めることが可能であり、例えばパルスごとに屈折率分布を変化させて、レーザ光の幅を変化させることにより、立体的なレーザ加工や強度調整を行うことが可能となる。
Further, a phase modulation element which is an optical element of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 9A shows a liquid refractive index distribution cell structure, in which a refractive index distribution is spatially produced by the number of cells and the refractive index. FIG. 9B shows the intensity distribution when this structure is irradiated with a circular laser beam. In this way, it becomes possible to convert a circular laser beam into a linear beam by arranging the liquid. In this way, it is possible to change the shape of the beam corresponding to the refractive index distribution of the liquid or to correct the aberration of the phase laser beam.
This shape can be obtained by calculation. For example, three-dimensional laser processing and intensity adjustment can be performed by changing the refractive index distribution for each pulse and changing the width of the laser light.

また、本発明の光学素子である位相変調素子は、例えば図10に示されているように、回折格子のように利用することも可能である。透明基板88中にライン状に液体セル89を配置した位相変調素子に入射レーザ光91を照射すると、このレーザ光91は液体セル89のピッチに応じて回折効果により、0次光92と1次光93のように分岐されることになる。ここで液体セル89の屈折率を変化させることによって、1次光と2次光等の強度を調整することが可能となる。この場合、各セルは同一の液体を用いることも可能である。また、このときセルの屈折率を基板の屈折率と同じにすることにより、回折光を0にすることもできる。
このように回折格子に利用して光を分離することにより、多数点の加工や照射位置の制御を行うことが可能である。
Further, the phase modulation element which is the optical element of the present invention can be used like a diffraction grating as shown in FIG. 10, for example. When incident laser light 91 is irradiated to the phase modulation element in which the liquid cells 89 are arranged in a line in the transparent substrate 88, the laser light 91 is diffracted according to the pitch of the liquid cells 89, and the zero-order light 92 and the primary It will be branched like light 93. Here, by changing the refractive index of the liquid cell 89, the intensity of the primary light and the secondary light can be adjusted. In this case, each cell can use the same liquid. Further, at this time, the diffracted light can be made zero by making the refractive index of the cell the same as the refractive index of the substrate.
As described above, by separating the light using the diffraction grating, it is possible to process a number of points and control the irradiation position.

次に、空間変調素子のセル構造が複数のリング状流路により形成されているものについて、図11を参照しながら説明する。
空間変調素子のセルの構造は、上記各実施例において説明したように、必ずしもマトリクス状に配置する必要はなく、図11に示されているように、例えば、透明基板95中に円形の幅を調整した複数のリング状流路(セル)96,97,98,…を形成する。ここで各流路の屈折率を変化させ、その後、例えばレンズ等によって集光することにより、集光位置を僅かに変化させることが可能となる。また、複雑な強度パタンを初期の流路(セル)形状と屈折率によって調整することも可能となる。
このとき、例えば透明基板95と僅かに屈折率の異なる液体により透過位相を調整することによって、加工誤差による位相変化を調整するなどの補正用光学素子としての機能を果たすことも可能である。
Next, the cell structure of the spatial modulation element formed by a plurality of ring-shaped channels will be described with reference to FIG.
As described in the above embodiments, the spatial modulation element cell structure does not necessarily have to be arranged in a matrix. For example, as shown in FIG. A plurality of adjusted ring-shaped flow paths (cells) 96, 97, 98,... Are formed. Here, by changing the refractive index of each flow path, and then condensing with, for example, a lens or the like, the condensing position can be slightly changed. In addition, it is possible to adjust a complicated intensity pattern by the initial flow path (cell) shape and refractive index.
At this time, for example, by adjusting the transmission phase with a liquid having a refractive index slightly different from that of the transparent substrate 95, it is also possible to fulfill a function as a correction optical element such as adjusting a phase change due to a processing error.

次に、空間変調素子をレーザマニピュレーション装置として利用する場合について説明する。
例えば、上記図11に示されている空間変調素子100によって、レーザ光の集光位置を変化させる。レーザマニピュレーション法では、レーザ光の集光位置に材料(粒子)をトラップして移動することが可能であり、このような空間変調素子100をレーザマニピュレーション装置に適用することにより、高ピークパワーのレーザ光の制御が可能となるので、大きな粒子の移動、複数粒子の捕獲あるいは移動、照射パタン変化による連続移動、又は3次元移動等の粒子制御を実現することが可能である。
Next, a case where the spatial modulation element is used as a laser manipulation device will be described.
For example, the condensing position of the laser light is changed by the spatial modulation element 100 shown in FIG. In the laser manipulation method, a material (particle) can be trapped and moved at a condensing position of the laser beam. By applying such a spatial modulation element 100 to a laser manipulation device, a laser with a high peak power can be obtained. Since light can be controlled, particle control such as movement of large particles, capture or movement of a plurality of particles, continuous movement due to irradiation pattern change, or three-dimensional movement can be realized.

は、本発明の実施例1における、マトリクス状のセルを備える光学素子の模式図であり、(a)は上面図、(b)は側面断面図である。These are the schematic diagrams of the optical element provided with the matrix-shaped cell in Example 1 of this invention, (a) is a top view, (b) is side sectional drawing. は、実施例1における、線状形状のセルを備える光学素子の模式的な上面図である。These are the schematic top views of an optical element provided with the cell of a linear shape in Example 1. FIG. は、同じく実施例1における、線状形状のセルを備える光学素子の模式的な上面図である。FIG. 3 is a schematic top view of an optical element including a linear cell in Example 1 as well. は、本発明の実施例2における、セルを3次元に配列した光学素子の模式図であり、(a)は上面図、(b)は正面断面図である。These are the schematic diagrams of the optical element which arranged the cell three-dimensionally in Example 2 of this invention, (a) is a top view, (b) is front sectional drawing. は、本発明の実施例3における、セルを3次元に配列した光学素子の模式的な正面断面図である。These are the typical front sectional views of the optical element which arranged the cell three-dimensionally in Example 3 of the present invention. は、実施例3における、遮光膜を備える光学素子の模式的な上面図である。These are the schematic top views of the optical element provided with the light shielding film in Example 3. FIG. は、本発明の実施例4における、反射型の光学素子の模式的な斜視図である。These are the typical perspective views of the reflective optical element in Example 4 of this invention. は、本発明の実施例5における、セルの厚さが異なる光学素子の模式的な正面断面図である。These are typical front sectional drawing of the optical element from which the thickness of a cell in Example 5 of this invention differs. は、本発明の光学素子の適用例を示す模式図であり、(a)はレーザ加工装置の模式図、(b)は光学素子の説明図である。These are the schematic diagrams which show the application example of the optical element of this invention, (a) is a schematic diagram of a laser processing apparatus, (b) is explanatory drawing of an optical element. は、本発明の光学素子である位相変調素子の説明図であり、(a)は液体の屈折率分布セル構造を示し、(b)はレーザ光の強度分布を示す。These are explanatory drawings of a phase modulation element which is an optical element of the present invention, in which (a) shows a refractive index distribution cell structure of a liquid, and (b) shows an intensity distribution of laser light. は、本発明の光学素子である位相変調素子を回折格子として利用した場合の説明図である。These are explanatory drawings at the time of using the phase modulation element which is an optical element of the present invention as a diffraction grating. は、レーザマニピュレーション装置等に適用されるリング形状のセルを備える光学素子の模式図であり、(a)は上面図、(b)は側面断面図である。These are the schematic diagrams of an optical element provided with the ring-shaped cell applied to a laser manipulation apparatus etc., (a) is a top view, (b) is side sectional drawing.

符号の説明Explanation of symbols

1,31,41,51,61,71‥‥透明基板
2,12,22,32,33,42〜45,52,62,72,73‥‥セル(光透過構造体)
3,13,23,34〜36,46,53,63‥‥流路(液体供給手段)
4,64‥‥導入口
5‥‥排出口
10,20,30,40,50,60,70,80,100‥‥光学素子(位相変調素子)
18,28‥‥液排出部
14,15,24,25‥‥液体
16,17,26,27‥‥バルブ、コック
29‥‥移動機構
54‥‥遮光用フォトマスク、遮光部材
65,74‥‥反射層
88,95‥‥透明基板
89,96〜98‥‥セル(流路、光透過構造体)
91〜93‥‥レーザ光
1, 31, 41, 51, 61, 71 ... Transparent substrate 2, 12, 22, 32, 33, 42 to 45, 52, 62, 72, 73 ... Cell (light transmission structure)
3, 13, 23, 34 to 36, 46, 53, 63 ... flow path (liquid supply means)
4, 64 ... Inlet port 5 ... Discharge port 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100 ... Optical element (phase modulation element)
18, 28 ... Liquid discharge part 14, 15, 24, 25 ... Liquid 16, 17, 26, 27 ... Valve, cock 29 ... Movement mechanism 54 ... Photomask for light shielding, light shielding member 65, 74 ... Reflective layer 88,95 ... Transparent substrate 89, 96 to 98 ... Cell (flow path, light transmission structure)
91-93 ... Laser light

Claims (13)

複数の光透過構造体と、
上記光透過構造体へ液体を供給する第1の液体供給手段から成り、
少なくとも2種類以上の屈折率の異なる液体を、上記第1の液体供給手段によって上記光透過構造体の内部に供給することにより、透過光の位相を空間的に変調することを特徴とする光学素子。
A plurality of light transmission structures;
Comprising a first liquid supply means for supplying a liquid to the light transmission structure,
An optical element characterized in that the phase of transmitted light is spatially modulated by supplying at least two kinds of liquids having different refractive indexes into the light transmission structure by the first liquid supply means. .
屈折率の異なる液体を混合することにより、上記少なくとも2種類以上の屈折率の異なる液体を調整する液体混合手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, further comprising a liquid mixing unit that adjusts at least two kinds of liquids having different refractive indexes by mixing liquids having different refractive indexes. 透過光の波長がλであり、屈折率の異なる液体の最大屈折率がnmax、最小屈折率がnminであるとき、光透過構造体の光透過距離をλ/(nmax−nmin)の整数倍とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光学素子。   When the wavelength of transmitted light is λ, the maximum refractive index of liquids having different refractive indexes is nmax, and the minimum refractive index is nmin, the light transmission distance of the light transmission structure is an integral multiple of λ / (nmax−nmin). The optical element according to claim 1, wherein: 上記第1の液体供給手段の他に、光吸収性を有する液体を上記光透過構造体へ供給する第2の液体供給手段を備えて成り、
上記第2の液体供給手段によって、上記光吸収性を有する液体を上記光透過構造体の内部に所定の混合割合で供給することにより、透過光の強度を位相と合わせて空間的に変調することを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の光学素子。
In addition to the first liquid supply means, a second liquid supply means for supplying a light-absorbing liquid to the light transmission structure is provided.
The second liquid supply means supplies the light-absorbing liquid into the light transmission structure at a predetermined mixing ratio, thereby spatially modulating the intensity of transmitted light according to the phase. The optical element according to claim 1, wherein:
上記2種類以上の屈折率の異なる液体が、互いに可溶性液体であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to any one of claims 1 to 4, wherein the two or more types of liquids having different refractive indexes are mutually soluble liquids. 上記2種類以上の屈折率の異なる液体が、同一溶媒又は可溶性の溶媒であり、溶質の濃度により屈折率を変化せしめることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の光学素子。   5. The optical element according to claim 1, wherein the two or more types of liquids having different refractive indexes are the same solvent or a soluble solvent, and the refractive index is changed depending on the concentration of the solute. . 透過光の位相を変調するための複数の光透過構造体を積層した第1光透過構造体と、
所定の屈折率の液体を上記第1光透過構造体へ選択的に供給する第1の液体供給手段と、
上記第1光透過構造体の光透過方向に配置し、透過光の強度を変調するための複数の第2光透過構造体と、
2種類以上の吸収率の異なる液体を上記複数の第2光透過構造体へ供給する第2の液体供給手段とから成り、
上記所定の屈折率の液体と2種類以上の吸収率の異なる液体を、上記第1及び第2の液体供給手段によって、上記第1及び第2光透過構造体のにそれぞれに供給することにより、透過光の位相と強度を空間的に変調することを特徴とする光学素子。
A first light transmission structure in which a plurality of light transmission structures for modulating the phase of transmitted light are stacked;
First liquid supply means for selectively supplying a liquid having a predetermined refractive index to the first light transmission structure;
A plurality of second light transmission structures disposed in the light transmission direction of the first light transmission structure for modulating the intensity of the transmitted light;
A second liquid supply means for supplying two or more kinds of liquids having different absorption rates to the plurality of second light transmission structures,
By supplying the liquid having a predetermined refractive index and two or more kinds of liquids having different absorptances to the first and second light transmission structures by the first and second liquid supply units, An optical element characterized by spatially modulating the phase and intensity of transmitted light.
少なくとも一部の液体供給手段を透過する透過光を遮光する遮光部材を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の光学素子。   8. The optical element according to claim 1, further comprising a light shielding member that shields transmitted light that passes through at least a part of the liquid supply means. 上記複数の光透過構造体の透過光を反射する反射層を備え、上記液体供給手段が該反射層の裏側に配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれかに記載の光学素子。   The reflective layer which reflects the transmitted light of the said several light transmissive structure is provided, The said liquid supply means is arrange | positioned at the back side of this reflective layer, The claim 1 characterized by the above-mentioned. Optical elements. 上記複数の光透過構造体の透過光路長が異なっていることを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the transmission light path lengths of the plurality of light transmission structures are different. 請求項1〜請求項10のいずれかに記載の光学素子を空間位相変調素子として備え、該空間位相変調素子によりレーザ光を空間選択的に照射することを特徴とするレーザ加工装置。   11. A laser processing apparatus comprising the optical element according to claim 1 as a spatial phase modulation element, wherein laser light is spatially selectively irradiated by the spatial phase modulation element. 請求項1〜請求項10のいずれかに記載の光学素子を空間位相変調素子として備え、該空間位相変調素子によりレーザ光を空間選択的に制御することを特徴とするレーザマニピュレーション装置。   11. A laser manipulation apparatus comprising the optical element according to claim 1 as a spatial phase modulation element, wherein laser light is spatially controlled by the spatial phase modulation element. 複数のセルと、
上記セルへ液体を供給する流路から成り、
少なくとも2種類以上の屈折率の異なる液体を、上記流路によって上記セルの内部に供給することにより、透過光の位相を空間的に変調することを特徴とする光学素子。
Multiple cells,
Comprising a flow path for supplying liquid to the cell,
An optical element characterized by spatially modulating the phase of transmitted light by supplying at least two kinds of liquids having different refractive indexes into the cell through the flow path.
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