JP2016062011A

JP2016062011A - 可干渉性低減素子

Info

Publication number: JP2016062011A
Application number: JP2014191119A
Authority: JP
Inventors: 勝川田; Masaru Kawada
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-04-25

Abstract

【課題】小型で且つ十分なコヒーレンス低減効果を有する可干渉性低減素子を提供する。【解決手段】常光線と異常光線の主屈折率がそれぞれｎω、ｎεである複屈折性結晶１１と、複屈折性結晶１１の対向する二面のそれぞれ一部に配置された反射鏡１２、１３によって可干渉性低減素子を構成し、複屈折性結晶１１の光学軸が光源から出射されたレーザー光線の進行方向と垂直な面内に配置され、且つ光学軸とレーザー光線の偏光面のなす角が４５°±１０°の範囲になるようにし、更に、複屈折性結晶１１に入射したレーザー光線が反射鏡１２、１３の間を多重反射した上で複屈折性結晶１１から出射するよう構成し、且つ複屈折性結晶１１内部におけるレーザー光線の経路長がΔＬ／｜ｎω−ｎε｜（ΔＬはレーザー光線のコヒーレンス長）より大きくなるよう、多重反射の回数及び複屈折性結晶１１の長さを調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光線の可干渉性（コヒーレンス）を低減するための可干渉性低減素子に関する。

レーザーは、高い指向性や単色性を有すること、及び高エネルギー密度を実現できることなどの特性を有することから種々の分野に応用されている。

更に、レーザーの重要な特性として、コヒーレンスが高いことが挙げられる。この性質を利用した応用分野としては、例えば、光ディスクのピックアップやレーザーポインタ、光通信などがある。

しかしながら、レーザーの応用分野によっては、コヒーレンスが高いことが不利に働く場合もある。例えば、高変換効率の太陽電池等の製造においては、アモルファスシリコン膜に強力なレーザー光線を照射し、シリコンを溶融させながら該照射位置を走査することにより結晶シリコン膜を成長させることが行われる。その際、コヒーレンスの高いレーザー光線をそのまま照射すると、照射位置に他の領域で散乱したレーザー光線の一部が到達して干渉を起こし、スペックルパターンと呼ばれる不規則なノイズが生じる。このスペックルパターンはレーザー光線の均一照射の妨げとなり、結果的に、成長させるシリコン結晶の結晶性の低下を招来する。

こうしたスペックルパターンの発生を抑制するためには、レーザー光線のコヒーレンスを低減させる必要がある。そのために用いられるのが可干渉性低減素子である（例えば特許文献１を参照）。

図２に特許文献１に記載された従来の可干渉性低減素子の構成を示す。この可干渉性低減素子は、空間的可干渉性解消素子３０とホモジナイザー４０から成る。空間的可干渉性解消素子３０は長さの異なるいくつかのレーザー透過媒質からなる２つの階段状素子３１、３２を含んでいる。これらの階段状素子３１、３２は、レーザー光線の光軸（すなわちＺ軸）の周りに互いに９０°回転させた状態で配置されている。一方、ホモジナイザー４０は、２つのシリンドリカルレンズアレイ４１、４２、及びレンズ系４３から成る。空間的可干渉性解消素子３０は、レーザー光線の入射方向から見ると、例えば図２（ａ）に示すように、４×４＝１６個の区画から成るマトリックスを形成しており、該マトリックスの各区画は互いに異なる光路長を有している。そのため、空間的可干渉性解消素子３０の一端から入射して前記各区画を通過したレーザー光線は、互いに位相がずれた状態で空間的可干渉性解消素子３０の他端から出射する。続いて、これらのレーザー光線はホモジナイザー４０に入射し、照射対象物５０上に均等に重ね合わせて照射される。これにより、１６種類の位相の異なるレーザー光線が照射対象物５０上の同一の点に重畳照射されるため、レーザー光線のコヒーレンスが低減され、スペックルパターンの発生が抑えられる。

また、簡易的にレーザー光線のコヒーレンスを低減する方法として、非特許文献１又は２に記載のように、拡散板をレーザー光源の直後に配置することも考えられる。

特開2003-068644号公報

"産業用レンズ拡散板：LSD − 概要",[online],株式会社オプティカルソリューションズ,[平成26年9月19日検索],インターネット<URL:http://www.osc-japan.com/lsd-corp/lsd-about/> "拡散板",[online],株式会社渋谷光学,[平成26年9月19日検索],インターネット<URL:http://www.shibuya-opt.co.jp/diffuser.html>

しかしながら、図２に示したような従来の可干渉性低減素子では、十分な効果が見込める反面、可干渉性低減素子自体が大がかりになるという問題がある。更に、レーザー光線が前記空間的可干渉性解消素子の全域に割り振られるよう、可干渉性低減素子の前段にビームエキスパンダーなどを設けてレーザー光線を広げておく必要がある。

また、上記のように拡散板をレーザー光源の直後に配置する方法では、コヒーレンスを低減する能力が低い上に、レーザー光線が該拡散板によって散乱されて照射対象物に到達する光の強度が低下するという重大な欠点がある。

本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、小型で且つ十分なコヒーレンス低減効果を有する可干渉性低減素子を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る可干渉性低減素子は、
a)常光線と異常光線の主屈折率がそれぞれｎ_ω、ｎ_εである複屈折性結晶と、
b)前記複屈折性結晶の光学軸と直交する方向の一端に該複屈折性結晶と接するように設けられた第１の反射層と、
c)前記複屈折性結晶の光学軸と直交する方向の他端に該複屈折性結晶と接するように設けられた第２の反射層と、
を有し、
前記複屈折性結晶の光学軸が光源から出射されたレーザー光線の進行方向と垂直な面内に配置され、且つ前記光学軸と前記レーザー光線の偏光面のなす角が４５°±１０°の範囲にあり、
前記複屈折性結晶に入射した前記レーザー光線が前記第１の反射層と前記第２の反射層の間を多重反射した上で前記複屈折性結晶から出射するよう構成され、
前記複屈折性結晶の内部における前記レーザー光線の経路長がΔＬ／｜ｎ_ω−ｎ_ε｜（ΔＬは前記レーザー光線のコヒーレンス長）より大きくなるよう、前記多重反射の回数及び前記複屈折性結晶の長さが調整されて成ることを特徴としている。

また、上記本発明に係る可干渉性低減素子は、前記複屈折性結晶の前記一端に前記第１の反射層が形成されない第１の領域が設けられると共に、前記複屈折性結晶の前記一端又は前記他端に前記第１の反射層又は前記第２の反射層が形成されない第２の領域が設けられ、前記第１の領域と前記第２の領域は互いに対向しないよう配置されているものであって、前記第１の領域から前記レーザー光線が前記複屈折性結晶の内部に入射し、前記第２の領域から前記レーザー光線が前記複屈折性結晶の外部に出射するものとすることが望ましい。

ここで、経路長とはレーザー光線が複屈折性結晶の内部を通過する際の経路の実際の長さを意味している。また、光路長は光学的距離を意味しており、前記経路長と屈折率の積で表される。

光のコヒーレンスは、空間的コヒーレンスと時間的コヒーレンスに大別される。空間的コヒーレンスとは、光軸に垂直な面内における位相の揃い具合を表す概念であり、上述した従来の可干渉性低減素子は、この空間的コヒーレンスを低減することによりスペックルパターンの発生を防止している。

一方、時間的コヒーレンスは、異なる時刻に光源から出射された光を重ね合わせた場合の干渉しやすさを表す概念である。例えば、光源から発せられたレーザー光線を二つの光束に分割し、それぞれに異なる光路長を与えた上で再び重ね合わせる場合、二つの光束の光路長の差が大きくなるにつれて次第に干渉が起こりにくくなる。そして、干渉が起こる範囲で最大の光路長差を該レーザー光線のコヒーレンス長という。本願発明に係る可干渉性低減素子は、この時間的コヒーレンスを低減することによりスペックルパターンの発生を防止するものである。

ところで、複屈折性結晶に入射した光は、該入射光の偏光面が該結晶の進相軸及び遅相軸のいずれかに一致しない限り、互いに直交する二成分、すなわち常光線成分と異常光線成分に分解されて結晶内を進行する。複屈折性結晶における常光線と異常光線は主屈折率が異なるため、これらの光が複屈折性結晶内で同一の経路を通過しても両者の光路長には差が生じる。このとき、経路長をｄ、常光線の主屈折率をｎ_ω、異常光線の主屈折率をｎ_εとすると、常光線と異常光線の光路長の差は、｜ｄｎ_ω−ｄｎ_ε｜で表される。そして該光路長の差が、レーザー光線のコヒーレンス長ΔＬよりも大きくなった時、すなわち
ΔＬ＜｜ｄｎ_ω−ｄｎ_ε｜…（１）
となったときに、常光線と異常光線の間のコヒーレンスが失われる。
式（１）を変形すると、
ｄ＞ΔＬ／｜ｎ_ω−ｎ_ε｜…（２）
となるから、複屈折性結晶内におけるレーザー光線の経路長ｄをΔＬ／｜ｎ_ω−ｎ_ε｜より大きくすれば、前記レーザー光線の時間的コヒーレンスを解消できることとなる。

そこで、本発明に係る可干渉性低減素子では、複屈折性結晶の両端に反射鏡を配置してレーザー光線を該結晶内で多重反射させる構成とし、その反射回数及び結晶の長さを適切に設定することにより、上記の条件を満たすような経路長ｄを確保している。このような構成によれば、単一の素子によってレーザーのコヒーレンスを低減することができると共に、該素子自体も小型化することができる。

以上の通り、本発明に係る可干渉性低減素子によれば、素子を大型化することなく十分な可干渉性低減効果を得ることが可能となる。

なお、本発明に係る可干渉性低減素子は、上述のようなレーザー照射による結晶成長の分野に適用可能であるほか、一般的に、レーザー光線を指向性の高い照明用光源として利用する際においても、不所望な干渉の発生を抑制する目的で利用することができる。

本発明の一実施形態に係る可干渉性低減素子を示す図であって、（ａ）は左側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図である。従来の可干渉性低減素子を示す図であって、（ａ）は左側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る可干渉性低減素子の概略構成を示す図である。本実施形態に係る可干渉性低減素子は、図示しないレーザー光源と照射対象物の間に配置されるものであり、複屈折性結晶１１と、該複屈折性結晶１１の両端面の一部にそれぞれ設けられた第１反射鏡１２及び第２反射鏡１３を備えている。ここで、前記レーザー光源から発せられたレーザー光線２０の進行方向は、図１（ｃ）に示すようにＺ軸方向にとるものとする。なお、以下では説明の便宜上、図中のＸ軸の矢頭方向を上、その逆方向を下と表現し、Ｚ軸の矢頭方向を右、その逆方向を左と表現する場合がある。

本実施形態における複屈折性結晶１１としては、例えば、方解石、ＴｉＯ_２、ＭｇＦ_２などの一軸性結晶を用いることができる。本実施形態における複屈折性結晶１１は、略直方体形状を有しており、該結晶の光学軸の方向が前記レーザー光線２０の進行方向（Ｚ軸方向）と垂直な面内（すなわちＸ−Ｙ面内）に来るように加工されている。なお、図中では簡略化のため、光学軸の方向をＸ軸方向に取っているが、この方向に限定されるものではない。

前記レーザー光源としては、偏光面の方向が一定であるもの（すなわち直線偏光を発するもの）が用いられる。そして、該偏光面が複屈折性結晶１１の光学軸の方向に対し４５°±１０°、理想的には４５°を成すように（図１（ａ）参照）、レーザー光源又は複屈折性結晶１１のＺ軸周りの角度が調整される。なお、複屈折性結晶１１の進相軸と遅相軸は互いに直交しており、これらの軸のいずれか一方が光学軸と一致する（どちらが光学軸と一致するかは結晶の種類によって異なる）。従って、レーザー光線の偏光面を光学軸の方向に対して４５°を成すようにすることにより、複屈折性結晶１１に入射したレーザー光線を、進相軸方向の成分と遅相軸方向の成分とに１：１の割合で分解することができる。この進相軸方向の成分と遅相軸方向の成分のいずれか一方が常光線であり他方が異常光線である。以下、便宜上、複屈折性結晶１１内を進行する上記二つの成分の一方をＸ成分２１、他方をＹ成分２２と呼ぶ。

複屈折性結晶１１のＺ軸方向の両端部に設けられた第１反射鏡１２及び第２反射鏡１３は、複屈折性結晶１１内に進入したレーザー光線２０を該結晶内で多重反射させるためのものである。該第１反射鏡１２及び第２反射鏡１３は、例えば複屈折性結晶１１の表面に金属膜を直接蒸着することにより形成することができる。なお、複屈折性結晶１１の前記両端部の一部には、第１反射鏡１２又は第２反射鏡１３を形成しない領域が設けられ、これらの領域がそれぞれレーザー光線２０を結晶内に入射させるための入射面１４（本発明における第１の領域に相当する）、及び結晶内を通過した光を外部に出射させるための出射面１５（本発明における第２の領域に相当する）となる。この入射面１４と出射面１５は互いに対向しないよう、例えば、図１（ｃ）に示すように、Ｘ軸方向に離間させて設けられる。なお、入射面１４及び出射面１５を複屈折性結晶１１の同一の側に設けてもよい。例えば、複屈折性結晶１１の一端に第１反射鏡１２を設けない領域を２カ所互いに離間させて設け、これらの領域の一方を入射面１４とし、他方を出射面１５とすることもできる。

なお、Ｚ軸方向に沿って進行して来たレーザー光を第２反射鏡１３によって斜め上方に反射させることができるよう、複屈折性結晶１１は第２反射鏡１３が設けられる領域をＸ−Ｙ平面に対して傾斜させた形状となっている。また、複屈折性結晶１１において第１反射鏡１２が設けられる領域は、前記第２反射鏡１３で反射されて斜め上方に進行した光をＺ軸方向に反射させることのできる角度に設定されている。第１反射鏡１２でＺ軸方向に反射された光は再び第２反射鏡１３に入射して斜め上方に反射されるため、本実施形態に係る可干渉性低減素子において、複屈折性結晶１１の内部に入射したレーザー光線は、第１反射鏡１２と第２反射鏡１３の間で繰り返し反射しながら複屈折性結晶１１の内部を上方へと進行して行くこととなる。その後、出射面１５に到達した光は、該出射面１５から複屈折性結晶１１の外部へと取り出される。

なお、複屈折性結晶１１とその周囲の雰囲気（一般的には空気）との界面においてレーザー光線２０が反射するのを防止するため、前記の入射面１４及び出射面１５には反射防止コーティングを施すことが望ましい。これにより、前記界面における反射によって照射対象物５０に照射されるレーザー光線の光量が減少するのを防止することができる。

レーザー光源から発せられた光は、入射面１４において複屈折性結晶１１に入射し、Ｘ成分２１とＹ成分２２の二光束に分かれて結晶内を進行する。複屈折性結晶の常光線と異常光線では主屈折率が異なるため、結晶中を進行する間に前記二光束の光路長には差が生じる。その結果、図１（ｃ）に示すように、複屈折性結晶１１を通過した後のＸ成分２１とＹ成分２２には距離Ｌだけズレが生じる。この距離Ｌがコヒーレンス長ΔＬより大きくなればＸ成分２１とＹ成分２２の間の時間的コヒーレンスが解消される。

ここで、前記レーザー光線の複屈折性結晶１１内における経路長をｄ、常光線の主屈折率をｎ_ω、異常光線の主屈折率ｎ_εとした場合、前記の距離Ｌは、ｄ｜ｎ_ω−ｎ_ε｜と表すことができる。従って、ΔＬ＜ｄ｜ｎ_ω−ｎ_ε｜を満たすように経路長ｄを設定すればレーザー光線のコヒーレンスを解消することができる。なお、経路長ｄは、複屈折性結晶１１の長さや複屈折性結晶１１内でのレーザー光の多重反射の回数を調節することにより、適当な値に設定することができる。

例えば、光源として波長４４１．６ｎｍ、コヒーレンス長ΔＬ＝１０ｃｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを使用し、複屈折性結晶として方解石を使用する場合、ｎ_ω＝１．６７４２３、ｎ_ε＝１．４９３７３になるので、ΔＬ／｜ｎ_ω−ｎ_ε｜＝５５．４ｃｍとなる。従って、方解石結晶の全長を２ｃｍとした場合、内部多重反射の回数が２８回となるように各反射鏡の角度を調整することにより、出射後のレーザー光線のコヒーレンスを低減することができる。

１１…複屈折性結晶
１２…第１反射鏡
１３…第２反射鏡
１４…入射面
１５…出射面
２０…レーザー光線
２１…Ｘ成分
２２…Ｙ成分
３０…空間的可干渉性解消素子
３１、３２…階段状素子
４０…ホモジナイザー
４１、４２…シリンドリカルレンズアレイ
４３…レンズ系
５０…照射対象物

Claims

a)常光線と異常光線の主屈折率がそれぞれｎ_ω、ｎ_εである複屈折性結晶と、
b)前記複屈折性結晶の光学軸と直交する方向の一端に該複屈折性結晶と接するように設けられた第１の反射層と、
c)前記複屈折性結晶の光学軸と直交する方向の他端に該複屈折性結晶と接するように設けられた第２の反射層と、
を有し、
前記複屈折性結晶の光学軸が光源から出射されたレーザー光線の進行方向と垂直な面内に配置され、且つ前記光学軸と前記レーザー光線の偏光面のなす角が４５°±１０°の範囲にあり、
前記複屈折性結晶に入射した前記レーザー光線が前記第１の反射層と前記第２の反射層の間を多重反射した上で前記複屈折性結晶から出射するよう構成され、
前記複屈折性結晶の内部における前記レーザー光線の経路長がΔＬ／｜ｎ_ω−ｎ_ε｜（ΔＬは前記レーザー光線のコヒーレンス長）より大きくなるよう、前記多重反射の回数及び前記複屈折性結晶の長さが調整されて成ることを特徴する可干渉性低減素子。
前記複屈折性結晶の前記一端に前記第１の反射層が形成されない第１の領域が設けられると共に、前記複屈折性結晶の前記一端又は前記他端に前記第１の反射層又は前記第２の反射層が形成されない第２の領域が設けられ、前記第１の領域と前記第２の領域は互いに対向しないよう配置されているものであって、前記第１の領域から前記レーザー光線が前記複屈折性結晶の内部に入射し、前記第２の領域から前記レーザー光線が前記複屈折性結晶の外部に出射することを特徴とする請求項１に記載の可干渉性低減素子。