JP2010020098A - 光制御装置および光制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物に入射される際の所定次数の回折光を容易に所望のものとすることができる光制御装置および光制御方法を提供する。
【解決手段】光制御装置１は、レーザ光源１０、位相変調型の空間光変調器２０、集光光学系３０および遮蔽部材４０を備える。制御部２２は、空間光変調器２０から出力される所定次数の回折光が集光光学系３０により集光される位置を位置Ａとし、空間光変調器２０から出力される他の次数の回折光が集光光学系３０により集光される位置を位置Ｂとし、空間光変調器２０から出力される０次光が集光光学系３０により集光される位置を位置Ｃとしたときに、空間光変調器２０にホログラムを呈示させることにより、位置Ａと位置Ｃとの間の距離より位置Ａと位置Ｂとの間の距離を長くし、０次光の強度より他の次数の回折光の強度を大きくし、所定次数の回折光の強度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光制御装置および光制御方法に関するものである。

空間光変調器は、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて入力光の強度または位相を変調するホログラムを呈示して、このホログラムにより変調した後の光を出力することができる。このような空間光変調器として、強度のみを変調することができる強度変調型のものと、位相のみを変調することができる位相変調型のものと、強度および位相の双方を変調することができる強度位相変調型のものとがある。空間光変調器の各画素において強度または位相が変調されて出力された光は、空間光変調器の後段に設けられた集光光学系により集光されて、その集光位置に存在する対象物を加工することができる。

強度変調型の空間光変調器は、画素毎に入力光の透過率を調整するものであり、透過させなかった部分の光を利用することができないので、光の利用効率が悪い。強度位相変調型の空間光変調器は、各画素における強度変調と位相変調とを互いに独立に制御することが容易でなく、取り扱いが困難である。

一方、位相変調型の空間光変調器は、画素毎に入力光の位相変化を調整するものであり、殆ど全ての光を出力することができるので、光の利用効率が高い。また、位相変調型の空間光変調器は、計算機ホログラムを呈示することにより、出力光のビーム断面における位相分布の自由度が高く、集光光学系による出力光の集光位置の自由度が高い。このような位相変調型の空間光変調器を用いた光制御の用途としては、加工対象物の表面や内部の加工や、ラゲールガウスモード光の生成などが挙げられる。

ところで、位相変調型の空間光変調器において画素ごとに位相変調される出力される光の強度を変調できることが知られている（非特許文献１を参照）。これは、後段の集光光学系を経て利用されるべき光である１次光の強度を調整することができるが、このとき、不要な光は０次光として集光する。０次光は、一般には利用されず、対象物に照射されないよう遮蔽部材により遮蔽されるべき光である。
Joseph P. Kirk and Alan L. Jones, "Phase-only complex-value spatialfilter", Journal of the optical society of America, Vol.61, No.8, 1971

位相変調型の空間光変調器を用いた光制御の用途においては、利用されるべき所定次数の回折光（多くの場合は１次回折光）は、集光位置や集光点数などに関して態様が様々に変化する場合がある。したがって、０次光を遮蔽する遮蔽部材により上記所定次数の回折光（または、その一部）も遮蔽される場合がある。また、０次光の遮蔽が不完全であると、上記所定次数の回折光と０次光とが干渉する場合がある。これら何れの場合にも、位相変調型の空間光変調器から出力される際の所定次数の回折光が所望のものであったとしても、対象物に入射される際の上記所定次数の回折光は所望のものと異なることになる。特に、非特許文献１の方法を用いて位相と回折光の強度を変調した場合には、０次光が極めて強くなるので、このような問題が大きい。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、対象物に入射される際の所定次数の回折光を容易に所望のものとすることができる光制御装置および光制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光制御装置は、(1) レーザ光を出力するレーザ光源と、(2) レーザ光源から出力されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、このホログラムにより位相変調した後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、(3) 空間光変調器の後段に設けられた集光光学系と、(4) 空間光変調器にホログラムを呈示させる制御部と、を備えることを特徴とする。

そして、本発明に係る光制御装置では、制御部は、ホログラムが呈示された空間光変調器へのレーザ光入力により空間光変調器から出力される所定次数の回折光が集光光学系により集光される位置を位置Ａとし、空間光変調器から出力される他の次数の回折光が集光光学系により集光される位置を位置Ｂとし、空間光変調器から出力される０次光が集光光学系により集光される位置を位置Ｃとしたときに、空間光変調器にホログラムを呈示させることにより、位置Ａと位置Ｃとの間の距離より位置Ａと位置Ｂとの間の距離を長くし、０次光の強度より他の次数の回折光の強度を大きくし、所定次数の回折光の強度を調整することを特徴とする。

また、本発明に係る光制御方法は、上記のようなレーザ光源，空間光変調器，集光光学系および制御部を用いて、制御部により、ホログラムが呈示された空間光変調器へのレーザ光入力により空間光変調器から出力される所定次数の回折光が集光光学系により集光される位置を位置Ａとし、空間光変調器から出力される他の次数の回折光が集光光学系により集光される位置を位置Ｂとし、空間光変調器から出力される０次光が集光光学系により集光される位置を位置Ｃとしたときに、空間光変調器にホログラムを呈示させることにより、位置Ａと位置Ｃとの間の距離より位置Ａと位置Ｂとの間の距離を長くし、０次光の強度より他の次数の回折光の強度を大きくし、所定次数の回折光の強度を調整することを特徴とする。

本発明に係る光制御装置または本発明に係る光制御方法では、空間光変調器に所定のホログラムが呈示されることにより、所定次数の回折光の集光位置Ａと０次光の集光位置Ｃとの間の距離より、所定次数の回折光の集光位置Ａと他の次数の回折光の集光位置Ｂとの間の距離が長い。０次光の強度より他の次数の回折光の強度が大きい。また、所定次数の回折光の強度が調整される。なお、所定次数の回折光の強度の調整とは、所定次数の回折光の全強度を時間的に変調する場合の他、所定次数の回折光のビーム断面において強度分布を持たせる場合をも含む。したがって、利用される所定次数の回折光に影響を与えることなく、不要な光（他の次数の回折光および０次光）を有効に遮断することが容易である。

本発明に係る光制御装置の制御部は、空間光変調器から所定次数の回折光および他の次数の回折光を出力させるためのホログラムと、空間光変調器から出力される所定次数の回折光を集光光学系により所定位置に集光させるためのホログラムと、を重畳して空間光変調器に呈示させるのが好適である。また、本発明に係る光制御方法では、制御部により、空間光変調器から所定次数の回折光および他の次数の回折光を出力させるためのホログラムと、空間光変調器から出力される所定次数の回折光を集光光学系により所定位置に集光させるためのホログラムと、を重畳して空間光変調器に呈示させるのが好適である。

本発明に係る光制御装置の制御部は、空間光変調器から出力される所定次数の回折光が集光光学系により集光される位置の個数が多いほど、空間光変調器から出力される所定次数の回折光の強度を大きくするホログラムを空間光変調器に呈示させるのが好適である。また、本発明に係る光制御方法では、制御部により、空間光変調器から出力される所定次数の回折光が集光光学系により集光される位置の個数が多いほど、空間光変調器から出力される所定次数の回折光の強度を大きくするホログラムを空間光変調器に呈示させるのが好適である。

本発明に係る光制御装置の制御部は、空間光変調器から出力される際のビーム断面において強度分布または位相分布を有する所定次数の回折光を出力させるホログラムを空間光変調器に呈示させるのが好適である。また、本発明に係る光制御方法では、制御部により、空間光変調器から出力される際のビーム断面において強度分布または位相分布を有する所定次数の回折光を出力させるホログラムを空間光変調器に呈示させるのが好適である。

本発明に係る光制御装置の制御部は、空間光変調器から出力される所定次数の回折光としてラゲールガウスモード光を出力させるホログラムを空間光変調器に呈示させるのが好適である。また、本発明に係る光制御方法では、制御部により、空間光変調器から出力される所定次数の回折光としてラゲールガウスモード光を出力させるホログラムを空間光変調器に呈示させるのが好適である。

本発明によれば、対象物に入射される際の所定次数の回折光を容易に所望のものとすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光制御装置１の構成図である。この図に示される光制御装置１は、加工対象物９０における加工領域９１に対してレーザ光を集光照射して該加工対象物９０を加工する装置であって、レーザ光源１０、スペイシャルフィルタ１１、コリメートレンズ１２、ミラー１３、ミラー１４、空間光変調器２０、駆動部２１、制御部２２、集光光学系３０および遮蔽部材４０を備える。

レーザ光源１０は、加工対象物９０の加工領域９１に照射されるべきレーザ光を出力するものであり、好適にはフェムト秒レーザ光源やＮｄ:ＹＡＧレーザ光源などのパルスレーザ光源である。このレーザ光源１０から出力されたレーザ光は、スペイシャルフィルタ１１を経た後、コリメートレンズ１２によりコリメートされ、ミラー１３およびミラー１４により反射されて、空間光変調器２０に入力される。

空間光変調器２０は、位相変調型のものであって、レーザ光源１０から出力されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後のレーザ光を出力する。この空間光変調器２０において呈示される位相ホログラムは、数値計算により求められたホログラム（ＣＧＨ: Computer Generated Hologram）であるのが好ましい。

この空間光変調器２０は、反射型のものであってもよいし、透過型のものであってもよい。反射型の空間光変調器２０としては、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型および光アドレス型の何れであってもよい。また、透過型の空間光変調器２０としてはＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等であってもよい。図１では、空間光変調器２０として反射型のものが示されている。

駆動部２１は、空間光変調器２０の２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調量を設定するものであり、その画素毎の位相変調量設定のための信号を空間光変調器２０に与える。駆動部２１は、空間光変調器２０の２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調量を設定することで、空間光変調器２０にホログラムを呈示させる。

集光光学系３０は、空間光変調器２０の後段に設けられていて、空間光変調器２０において画素毎に位相変調されて出力されたレーザ光を入力する。特に、この集光光学系３０は、空間光変調器２０から出力されたレーザ光をフーリエ変換するレンズを含む。そのフーリエ変換像は、フーリエ変換レンズの後焦点面に形成される。

制御部２２は、例えばコンピュータで構成され、駆動部２１の動作を制御することで、駆動部２１から空間光変調器２０へホログラムを書き込ませる。このとき、制御部２２は、空間光変調器２０から出力されたレーザ光を集光光学系３０により複数個の集光位置に集光させるホログラムを空間光変調器２０に呈示させることもできる。

特に、本実施形態では、制御部２２は、ホログラムが呈示された空間光変調器２０へのレーザ光入力により空間光変調器２０から出力される所定次数の回折光が集光光学系３０により集光される位置を位置Ａとし、空間光変調器２０から出力される他の次数の回折光が集光光学系３０により集光される位置を位置Ｂとし、空間光変調器２０から出力される０次光が集光光学系３０により集光される位置を位置Ｃとしたときに、空間光変調器２０にホログラムを呈示させることにより、位置Ａと位置Ｃとの間の距離より位置Ａと位置Ｂとの間の距離を長くし、０次光の強度より他の次数の回折光の強度を大きくし、所定次数の回折光の強度を調整する。所定次数の回折光の強度の調整とは、所定次数の回折光の全強度を時間的に変調する場合の他、所定次数の回折光のビーム断面において強度分布を持たせる場合をも含む。

例えば、所定次数の回折光は＋１次回折光であり、他の次数の回折光は−１次回折光である。以下では、所定次数の回折光を＋１次回折光とし、他の次数の回折光を−１次回折光として説明する。

制御部２２は、ホログラムが呈示された空間光変調器２０から出力された所定次数の回折光（＋１次回折光）を集光光学系３０により集光させ、その集光位置を加工領域９１に選択的に配置させて、加工対象物９０を加工する。なお、＋１次回折光の集光位置が配置される加工領域９１は、加工対象物９０の表面だけでなく加工対象物９０の内部も含まれる。

遮蔽部材４０は、他の次数の回折光（−１次回折光）の集光位置を加工対象物９０に配置させないよう−１次回折光を遮蔽する。なお、遮蔽部材４０は、０次光の集光位置を加工対象物９０に配置させないよう０次光を遮蔽するのも好ましい。

図２は、本実施形態に係る光制御装置１による加工対象物９０における集光位置等を示す図である。加工対象物９０における加工領域９１は、ホログラムが呈示された空間光変調器２０から出力された＋１次回折光が集光光学系３０により集光され得る領域である。また、加工対象物９０における領域９２は、ホログラムが呈示された空間光変調器２０から出力された−１次回折光が集光光学系３０により集光され得る領域である。加工領域９１と領域９２とは、０次光の集光位置３０を中心にして対称関係にある。

このような場合、＋１次回折光の集光位置と０次光の集光位置との間の距離より、＋１次回折光の集光位置と−１次回折光の集光位置との間の距離が長くなる。また、空間光変調器２０に呈示されるホログラムを工夫することにより、０次光の強度より−１次回折光の強度を大きくすることができ、＋１次回折光の強度を調整することができる。

次に、空間光変調器２０に呈示されるホログラムについて更に詳細に説明する。空間光変調器２０に呈示されるホログラムは、空間光変調器２０から＋１次回折光および−１次回折光を出力させるためのホログラムと、空間光変調器２０から出力される＋１次回折光を集光光学系３０により所定位置に集光させるためのホログラムと、が重畳されたものである。

空間光変調器２０から＋１次回折光および−１次回折光を出力させるためのホログラム（画素毎の位相変調分布）は、下記（１）式または下記（２）式のφ_brazeで表され、いわゆるブレーズドグレーティングである。ここで、ｎは、空間光変調器２０において２次元配列された画素構造での画素位置を表す。Ｎは、ブレーズドグレーティングの１周期当たりの画素数を表す。ｍｏｄ（ｎ，Ｎ）は、ｎをＮで除算したときの剰余を求める演算子である。ｋは、＋１次回折光と−１次回折光との強度比を決定するパラメータである。ｋは、時間的に一定値であってもよいし、時間的に変化してもよい。また、ｋは、空間的に一定値であってもよいし、空間的な分布を有していてもよい。

図３は、（１）式で表されるブレーズドグレーティングの形状および回折を説明する図である。また、図４は、（２）式で表されるブレーズドグレーティングの形状および回折を説明する図である。これらの図は、ブレーズドグレーティングの１周期分の位相変調分布を示すともに、光が垂直入射した場合における＋１次回折光および−１次回折光それぞれの理論的強度を矢印の太さで概略的に示している。各図（ａ）はｋ値が０である場合の位相変調分布を示し、各図（ｂ）はｋ値が０超１未満である場合の位相変調分布を示し、また、各図（ｃ）はｋ値が１である場合の位相変調分布を示す。

図５は、（１）式または（２）式で表されるブレーズドグレーティングが呈示された空間光変調器２０で発生する＋１次回折光，−１次回折光および０次光それぞれの強度とｋ値との関係を示すグラフである。この図は、空間光変調器２０としてＬＣＯＳ型のものを用いて実測した結果を示す。横軸の中央でｋ値は０である。この中央から左側は、（１）式で表されるブレーズドグレーティングが空間光変調器２０に呈示された場合の各光の強度を示す。また、この中央から右側は、（２）式で表されるブレーズドグレーティングが空間光変調器２０に呈示された場合の各光の強度を示す。

図３〜図５から判るように、ｋ値が０である場合、＋１次回折光および−１次回折光それぞれの強度は互いに同じである。上記（１）式で表されるブレーズドグレーティングを用いた場合、ｋ値が大きいほど−１次回折光の強度が大きくなっていき、ｋ値が１である場合には−１次回折光のみが発生する。一方、上記（２）式で表されるブレーズドグレーティングを用いた場合、ｋ値が大きいほど＋１次回折光の強度が大きくなっていき、ｋ値が１である場合には＋１次回折光のみが発生する。このように、（１）式または（２）式で表されるブレーズドグレーティングを空間光変調器２０に呈示することにより、＋１次回折光および−１次回折光を発生させることができるとともに、０次光の発生を抑制することができる。また、ｋ値を調整することにより、＋１次回折光および−１次回折光それぞれの強度の比を調整することができる。

空間光変調器２０に呈示されるホログラムφ_resultは、上記のような＋１次回折光および−１次回折光を出力させるためのホログラムφ_brazeと、＋１次回折光を集光光学系３０により所定位置に集光させるためのホログラムφ_phaseと、が重畳されたものである。後者のホログラムφ_phaseは、集光光学系３０により＋１次回折光を所定位置に集光することができるように、空間光変調器２０から出力される際の＋１次回折光のビーム断面において所定の位相分布を与えるものであり、反復フーリエ法（ＩＦＴＡ: Iterative Fourier Transformation Algorithm）により作成される。

図６は、ＩＦＴＡのフローチャートである。ＩＦＴＡに際しては、加工対象物における集光点の目標配置（ターゲットパターン）、空間光変調器２０に入力される光のビーム断面における強度分布（入射光パターン）、および、ランダム位相パターン、が予め用意される。そして、ＦＦＴ（フーリエ変換）とＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）とが交互に繰り返される。

第１回のＦＦＴでは、振幅が入射光パターンからなり位相がランダム位相パターンからなる複素パターンがフーリエ変換される。これに続く第１回のＩＦＦＴでは、第１回のＦＦＴで得られた結果のうち振幅がターゲットパターンに置換された複素パターンが逆フーリエ変換される。これに続く第２回のＦＦＴでは、第１回のＩＦＦＴで得られた結果のうち振幅が入射光パターンに置換された複素パターンがフーリエ変換される。これに続く第２回のＩＦＦＴでは、第２回のＦＦＴで得られた結果のうち振幅がターゲットパターンに置換された複素パターンが逆フーリエ変換される。以降も同様にしてＦＦＴとＩＦＦＴとが交互に繰り返される。各回のＩＦＦＴで得られた結果が所望値であるか否かが判断され、もし、ＩＦＦＴで得られた結果が所望値であれば、処理が終了して、そのときの位相分布がホログラムφ_phaseとして得られる。或いは、繰り返し回数が規定数に達したときに、処理が終了して、そのときの位相分布がホログラムφ_phaseとして得られるようにしてもよい。

以上に説明したような＋１次回折光および−１次回折光を出力させるためのホログラムφ_brazeと、＋１次回折光を集光光学系３０により所定位置に集光させるためのホログラムφ_phaseとが重畳され、その重畳されたホログラムφ_result（＝φ_phase＋φ_braze）が空間光変調器２０に呈示される。

次に、加工対象物の表面の加工として該表面にレーザマーキングをする場合について説明する。レーザマーキングは、ペットボトル、ガラス、金属、シリコン等の表面にレーザ光によりシリアルナンバーなどを刻印するものである。例えば、従来のペットボトルへのインクの刻印に比べ、レーザマーキングは、環境汚染が小さいと言われており、注目されている。

図７は、レーザマーキングによる４桁のシリアルナンバーの刻印の一例を示す図である。ただし、実際のレーザマーキングでは、離散的な複数の点にレーザ光が集光照射される。図８は、比較例のレーザマーキングの様子を示す図である。また、図９は、本実施形態に係る光制御装置または光制御方法によるレーザマーキングの様子を示す図である。

比較例（図８）および本実施形態（図９）の何れでも、空間光変調器２０から出力された＋１次回折光が集光光学系３０により複数の位置に集光されて、４桁のシリアルナンバー「１２３４」が刻印されている。比較例（図８）では、空間光変調２０から出力される０次光の強度が強く、その０次光の集光位置は＋１次回折光の集光位置に近い。したがって、比較例では、不要な０次光を遮蔽部材４０により遮蔽しようとすると、＋１次回折光の一部も遮蔽部材４０により遮蔽される場合があり、加工対象物に入射される際の＋１次回折光が所望のものと異なってしまう場合がある。

これに対して、本実施形態（図９）では、上述のようなホログラムφ_resultが空間光変調２０に呈示されるので、空間光変調２０から出力される０次光の強度が弱いのに対して、空間光変調２０から出力される−１次回折光の強度が強く、その−１次回折光の集光位置は＋１次回折光の集光位置から遠い。したがって、本実施形態では、不要な−１次回折光を遮蔽部材４０により遮蔽することが容易であり、加工対象物に入射される際の＋１次回折光を容易に所望のものとすることができる。

ところで、加工対象物に対してシリアルナンバーを刻印する場合のように、刻印する文字が限られている場合、例えば０から９までの１０個の数字から選択されて４桁のシリアルナンバーを刻印する場合には、０から９までの１０個の数字それぞれを再生する為のホログラムがホログラムφ_phaseとして予め作成され、また、４つの刻印領域それぞれに＋１次回折光を集光させる為のホログラムがホログラムφ_brazeとして予め作成されて、これら１０種類のホログラムφ_phaseと４種類のホログラムφ_brazeとが制御部２２により記憶されているのが好適である。そして、刻印されるべき数字および位置に応じて、１０種類のホログラムφ_phaseから何れかのホログラムφ_phaseが選択され、また、４種類のホログラムφ_brazeから何れかのホログラムφ_brazeが選択されて、この選択されたホログラムφ_phaseとホログラムφ_brazeとが重畳されて、空間光変調器２０に呈示されるホログラムφ_resultとされる。

このとき、ホログラムφ_phaseにより生成されて集光光学系３０により集光される＋１次回折光の集光点の個数は、刻印されるべき文字によって異なる。したがって、仮に、＋１次回折光の強度が文字によらず一定であれば、＋１次回折光の集光点数が多いほど、＋１次回折光の各々の集光位置における強度は弱くなる。また、空間光変調器２０に入力されるレーザ光のビーム断面において強度が不均一であると、＋１次回折光の集光点数が一定であっても、空間光変調器２０における＋１次光発生範囲に依存して、＋１次回折光の各々の集光位置における強度は不均一となる。さらに、ホログラムφ_brazeのブレーズドグレーティングの空間周波数によって、回折効率が異なり、＋１次回折光の強度が異なる。

このようなレーザ表面加工の問題に対して、本実施形態では、上記（１）式または（２）式で表されるブレーズドグレーティングにおいてｋ値を適切な値としてホログラムφ_brazeを作成することにより、＋１次回折光の各々の集光位置における強度を均一化することができる。すなわち、＋１次回折光の集光点の個数が多いほど、空間光変調器２０に入力されるレーザ光の強度が弱いほど、また、ブレーズドグレーティングの空間周波数が高いほど、＋１次回折光の強度を大きくすることができるホログラムφ_braze（すなわち、上記（１）式でｋ値が小さいホログラムφ_braze、または、上記（２）式でｋ値が大きいホログラムφ_braze）を空間光変調器２０に呈示させればよい。

次に、加工対象物の内部をレーザ加工する場合について説明する。ここまでは加工対象物の表面をレーザ加工する場合について主に説明してきたが、加工対象物の内部をレーザ加工するときにも本実施形態に係る光制御装置１および光制御方法は有効である。

レーザ内部加工は、フェムト秒レーザなどのパルスレーザ光源を用い、通常ではレーザ光が透過してしまう加工対象物に対し極めて高い強度のレーザ光を入射させて多光子吸収を発生させ、加工対象物の内部に加工を行う。レーザ内部加工は、加工対象物に対し、クラック領域の形成、屈折率変化、改質領域の形成を行うものである。

このようなレーザ内部加工においては、加工対象物自体が収差物体となってしまうので、高ＮＡの対物レンズを使用する場合や、加工対象物の内部の深い位置に加工を行う場合には、収差の影響が顕著に現れ、加工ができない問題や、加工形状の劣化などの問題が発生する。位相変調型の空間光変調器２０を用いれば、これらの収差の問題を解消することが可能であり、また、多点同時加工が可能であるので加工のスループットの向上が可能である。

しかし、レーザ内部加工の場合にも、前述したレーザ表面加工（レーザマーキング）の場合と同様の問題が存在する。例えば、或る時点までは加工対象物の内部における＋１次回折光の集光点が１点であったとし、その時点より以降では加工対象物の内部における＋１次回折光の集光点が２点に変化したとすると、＋１次回折光の各々の集光位置における強度は２分の１に減少する。

このようなレーザ内部加工の問題に対して、本実施形態では、上記（１）式または（２）式で表されるブレーズドグレーティングにおいてｋ値を適切な値としてホログラムφ_brazeを作成することにより、＋１次回折光の各々の集光位置における強度を均一化することができる。すなわち、＋１次回折光の集光点の個数が多いほど、＋１次回折光の強度を大きくすることができるホログラムφ_braze（すなわち、上記（１）式でｋ値が小さいホログラムφ_braze、または、上記（２）式でｋ値が大きいホログラムφ_braze）を空間光変調器２０に呈示させればよい。これにより、集光点数が変化しても、＋１次回折光の各々の集光位置における強度を均一化することができる。

例えば、図１０に示されるようなＹ分岐の光導波路を形成する場合を想定する。この場合の加工対象物９０は、ガラスであって、レーザ光照射によりＹ分岐形状の光導波路９３〜９５が形成される。空間光変調器を用いない比較例では、図１１に示されるように、光導波路９３および光導波路９４が順次に形成され（同図（ａ））、その後に光導波路９５が形成される。この比較例では、１点ずつ加工するので、長い加工時間を要する。

本実施形態では、加工対象物９０を移動させながら、当初は＋１次回折光の集光点数を２として分岐後の光導波路９４，９５を同時に形成していき、途中からは＋１次回折光の集光点数を１として分岐前の光導波路９３を形成していくので、高速な形成が可能である。このとき、−１次回折光の集光点を遮蔽部材４０に位置させるとともに、ｋ値を調整することで＋１次回折光の強度を調整することで、分岐前と分岐後とで各集光点での光強度を均一化する。このようにすることで、Ｙ分岐光導波路を高速かつ高精度に作製することができる。

図１３〜図１５は、１点加工および２点加工それぞれの場合の各集光点での光強度を纏めた図表である。図１３に示された例では、＋１次回折光の強度を何ら調整しなかった場合であり、この場合には、１点加工時に比べて２点加工時には＋１次回折光の各集光点での光強度が２分の１程度まで小さくなっている。図１４に示された例では、＋１次回折光および０次光の双方の強度を調整した場合であり、この場合には、１点加工時と２点加工時とて＋１次回折光の各集光点での光強度が同程度となっているが、１点加工時には０次光の強度が大きい。また、図１５に示された例では、本実施形態に係るものであって、＋１次回折光および−１次回折光を主に発生させるとともに、０次光の発生を抑制した場合であり、この場合には、１点加工時と２点加工時とて＋１次回折光の各集光点での光強度が同程度となっていて、しかも、０次光の強度が小さい。

このように、本実施形態では、０次光の強度が小さくなっていて、−１次回折光を加工対象物に集光させないようにすればいいので、不要光（０次光、−１次回折光）の遮蔽が容易である。

次に、本実施形態に係る光制御装置１において、空間光変調器２０から出力される際のビーム断面において強度分布または位相分布を有する＋１次回折光を出力させるホログラムを空間光変調器２０に呈示させる場合について説明する。ここで、ビーム断面において強度分布または位相分布を有する＋１次回折光は、ラゲールガウスモード光やエルミートガウス光である。特に、ラゲールガウスモード光は、様々な用途が期待されており、生成するための技術が研究されている。

ラゲールガウスモード光は、ビーム断面において周方向および径方向それぞれについて特定の位相分布を有するものであって、偏角指数および動径指数によってモードが規定される。偏角指数は周方向の位相分布を規定する指数であり、動径指数は径方向の位相分布を規定する指数である。

このようなラゲールガウスモード光は、位相変調型の空間光変調器２０に適切なホログラムφ_phaseを呈示させることで生成することができる。生成したいラゲールガウスモード光の偏角指数および動径指数に応じた位相変調分布を有するホログラムφ_phaseを空間光変調器２０に呈示させればよい。

ところが、実際には、或る特定の偏角指数および動径指数を有するラゲールガウスモード光を生成しようとしても、所望の偏角指数および動径指数を有するラゲールガウスモード光だけでなく、偏角指数が同じであるが動径指数が異なるラゲールガウスモード光や、動径指数が同じであるが偏角指数が異なるラゲールガウスモード光も、空間光変調器２０から出力される場合がある。

図１６は、空間光変調器２０に呈示されるホログラムφ_phaseのパターンの径Ｒ_０と入射光のビーム径ｗ_０との比ａ（＝Ｒ_０／ｗ_０）とモード純度との関係を示すグラフである。同図（ａ）では、偏角指数を１とし、動径指数を１，２，３，５の各値とした。同図（ａ）では、動径指数を１とし、偏角指数を１，２，３，５の各値とした。この図から判るように、空間光変調器２０に呈示されるホログラムφ_phaseのパターンの径Ｒ_０については入射光のビーム径ｗ_０に対して最適値が存在し、その最適値であってもモード純度は０.８程度でしかない。

もし、純度が更に高い特定の偏角指数および動径指数を有するラゲールガウスモード光を生成することができれば、光トラップにおいては捕捉力が更に大きくなる。また、ラゲールガウスモード光の量子特性を量子情報処理に利用する場合には、その機能を実現する上で、ラゲールガウスモード光の純度が本質的に重要になる。

そこで、本実施形態では、モード純度が高いラゲールガウスモード光を生成するために、空間光変調器２０に呈示されるホログラムφ_resultは、上記のような＋１次回折光および−１次回折光を出力させるためのホログラムφ_brazeと、＋１次回折光を集光光学系３０により所定位置に集光させるためのホログラムφ_phaseと、が重畳されたものとされる。そして、ホログラムφ_phaseにおいては、所望の偏角指数および動径指数に応じた位相分布を持たせる。また、ホログラムφ_brazeにおいては、位置によって上記（１）式および（２）式の何れかが用いられ、また、ｋ値に空間的な分布を持たせて、空間光変調器２０から出力される際の＋１次回折光のビーム断面において強度分布を持たせる。

例えば、動径指数が５であって偏角指数も５であるラゲールガウスモード光を高純度で生成するには、ビーム断面における強度分布は図１７に示されるように設定され、また、ビーム断面における位相分布は図１８に示されるように設定されることが必要である。なお、図１８では、位相変調量（０〜２π）が濃淡で示されている。

空間光変調器２０に入力されるレーザ光のビーム断面における強度は、例えば、ガウシアン分布を有し、或いは、均一である。このような空間光変調器２０への入力光のビーム断面における強度分布と、図１７に示される所望のモードを有するラゲールガウスモード光のビーム断面における強度分布とに合わせて、ホログラムφ_brazeにおけるｋ値の空間的な分布を設定する。このとき、ホログラムφ_brazeにおいては、位置によって上記（１）式および（２）式の何れかが用いられてｋ値が設定される。

図１９は、均一強度のレーザ光が空間光変調器２０に入力される場合に図１７の強度分布を有する＋１次回折光を生成するためのホログラムφ_brazeを示す図である。このようなホログラムφ_brazeが呈示された空間光変調器２０に均一強度のレーザ光が入力されると、空間光変調器２０から出力される＋１次回折光のビーム断面における強度分布は図１７に示されるようになる。

図１８に示される位相分布に応じたホログラムφ_phaseと図１９に示されるホログラムφ_brazeとが重畳されたホログラムφ_resultが空間光変調器２０に呈示される。図２０は、このホログラムφ_resultを示す図である。このホログラムφ_resultが呈示された空間光変調器２０に均一強度のレーザ光が入力されると、空間光変調器２０から出力される＋１次回折光は、動径指数が５であって偏角指数も５である高純度のラゲールガウスモード光となる。

図２１は、本実施形態に係る光制御装置１により生成されたラゲールガウスモード光の強度分布を示す図である。この図は、図２０に示されるホログラムφ_resultが呈示された空間光変調器２０から出力される光の強度分布を示す。図中の左方には、動径指数が５であって偏角指数も５である高純度のラゲールガウスモード光が認められる。また、図中の右方の円で囲った領域には０次光が認められる。

なお、上記（１）式および（２）式を利用する場合は、高強度の＋１次回折光を発生させることができるが、ホログラムφ_brazeが複雑になる。所望のホログラムφ_phaseに対してホログラムφ_brazeの大きさが十分に細かくない場合は、位相ずれが発生する恐れがある。そのような場合には、上記（１）式および（２）式のうち一方のみを利用してもよい。

上記（１）式および（２）式は１次元のブレーズドグレーティングであり、実際には２次元の複雑なブレーズドグレーティングを用いる必要がある場合がある。そのような場合には、反復フーリエ法（例えばＩＦＴＡ）などを用いて＋１次光と−１次光に回折するブレーズドグレーティングを作成してもよい。このとき、ターゲットパターンにおいて、２つ以上の再生点の階調比の２乗が、実際の再生光の強度比となることを利用し、ターゲットパターンの所望の＋１次光と不要の−１次光の階調を調整して、ブレーズドグレーティングを作成する。

本実施形態に係る光制御装置１の構成図である。 本実施形態に係る光制御装置１による加工対象物９０における集光位置等を示す図である。 （１）式で表されるブレーズドグレーティングの形状および回折を説明する図である。 （２）式で表されるブレーズドグレーティングの形状および回折を説明する図である。 （１）式または（２）式で表されるブレーズドグレーティングが呈示された空間光変調器２０で発生する＋１次回折光，−１次回折光および０次光それぞれの強度とｋ値との関係を示すグラフである。 ＩＦＴＡのフローチャートである。 レーザマーキングによる４桁のシリアルナンバーの刻印の一例を示す図である。 比較例のレーザマーキングの様子を示す図である。 本実施形態に係る光制御装置または光制御方法によるレーザマーキングの様子を示す図である。 Ｙ分岐光導波路の平面図である。 比較例のＹ分岐光導波路の形成方法を説明する図である。 本実施形態のＹ分岐光導波路の形成方法を説明する図である。 １点加工および２点加工それぞれの場合の各集光点での光強度を纏めた図表である。 １点加工および２点加工それぞれの場合の各集光点での光強度を纏めた図表である。 １点加工および２点加工それぞれの場合の各集光点での光強度を纏めた図表である。 空間光変調器２０に呈示されるホログラムφ_phaseのパターンの径Ｒ_０と入射光のビーム径ｗ_０との比ａ（＝Ｒ_０／ｗ_０）とモード純度との関係を示すグラフである。 動径指数が５であって偏角指数も５であるラゲールガウスモード光のビーム断面における強度分布を示す図である。 動径指数が５であって偏角指数も５であるラゲールガウスモード光のビーム断面における位相分布を示す図である。 均一強度のレーザ光が空間光変調器２０に入力される場合に図１７の強度分布を有する＋１次回折光を生成するためのホログラムφ_brazeを示す図である。 ホログラムφ_phaseとホログラムφ_brazeとが重畳されたホログラムφ_resultを示す図である。 本実施形態に係る光制御装置１により生成されたラゲールガウスモード光の強度分布を示す図である。

符号の説明

１…光制御装置、１０…レーザ光源、１１…スペイシャルフィルタ、１２…コリメートレンズ、１３，１４…ミラー、２０…空間光変調器、２１…駆動部、２２…制御部、３０…集光光学系、４０…遮蔽部材。

Claims (10)

1. レーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて前記レーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、このホログラムにより位相変調した後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
   前記空間光変調器の後段に設けられた集光光学系と、
   前記空間光変調器にホログラムを呈示させる制御部と、
   を備え、
   前記制御部が、ホログラムが呈示された前記空間光変調器へのレーザ光入力により前記空間光変調器から出力される所定次数の回折光が前記集光光学系により集光される位置を位置Ａとし、前記空間光変調器から出力される他の次数の回折光が前記集光光学系により集光される位置を位置Ｂとし、前記空間光変調器から出力される０次光が前記集光光学系により集光される位置を位置Ｃとしたときに、前記空間光変調器にホログラムを呈示させることにより、位置Ａと位置Ｃとの間の距離より位置Ａと位置Ｂとの間の距離を長くし、前記０次光の強度より前記他の次数の回折光の強度を大きくし、前記所定次数の回折光の強度を調整する、
   ことを特徴とする光制御装置。
2. 前記制御部が、前記空間光変調器から前記所定次数の回折光および前記他の次数の回折光を出力させるためのホログラムと、前記空間光変調器から出力される前記所定次数の回折光を前記集光光学系により所定位置に集光させるためのホログラムと、を重畳して前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
3. 前記制御部が、前記空間光変調器から出力される前記所定次数の回折光が前記集光光学系により集光される位置の個数が多いほど、前記空間光変調器から出力される前記所定次数の回折光の強度を大きくするホログラムを前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
4. 前記制御部が、前記空間光変調器から出力される際のビーム断面において強度分布または位相分布を有する前記所定次数の回折光を出力させるホログラムを前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
5. 前記制御部が、前記空間光変調器から出力される前記所定次数の回折光としてラゲールガウスモード光を出力させるホログラムを前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項４に記載の光制御装置。
6. レーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザ光を入力し、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて前記レーザ光の位相を変調するホログラムを呈示して、このホログラムにより位相変調した後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
   前記空間光変調器の後段に設けられた集光光学系と、
   前記空間光変調器にホログラムを呈示させる制御部と、
   を用いて、
   前記制御部により、ホログラムが呈示された前記空間光変調器へのレーザ光入力により前記空間光変調器から出力される所定次数の回折光が前記集光光学系により集光される位置を位置Ａとし、前記空間光変調器から出力される他の次数の回折光が前記集光光学系により集光される位置を位置Ｂとし、前記空間光変調器から出力される０次光が前記集光光学系により集光される位置を位置Ｃとしたときに、前記空間光変調器にホログラムを呈示させることにより、位置Ａと位置Ｃとの間の距離より位置Ａと位置Ｂとの間の距離を長くし、前記０次光の強度より前記他の次数の回折光の強度を大きくし、前記所定次数の回折光の強度を調整する、
   ことを特徴とする光制御方法。
7. 前記制御部により、前記空間光変調器から前記所定次数の回折光および前記他の次数の回折光を出力させるためのホログラムと、前記空間光変調器から出力される前記所定次数の回折光を前記集光光学系により所定位置に集光させるためのホログラムと、を重畳して前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項６に記載の光制御方法。
8. 前記制御部により、前記空間光変調器から出力される前記所定次数の回折光が前記集光光学系により集光される位置の個数が多いほど、前記空間光変調器から出力される前記所定次数の回折光の強度を大きくするホログラムを前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項６に記載の光制御方法。
9. 前記制御部により、前記空間光変調器から出力される際のビーム断面において強度分布または位相分布を有する前記所定次数の回折光を出力させるホログラムを前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項６に記載の光制御方法。
10. 前記制御部により、前記空間光変調器から出力される前記所定次数の回折光としてラゲールガウスモード光を出力させるホログラムを前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項９に記載の光制御方法。