JP3971023B2

JP3971023B2 - Ｍ２測定装置

Info

Publication number: JP3971023B2
Application number: JP08639298A
Authority: JP
Inventors: 光一白川; 学安川
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JPH11281473A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームの品質を表すパラメータであるＭ²値を測定するＭ²測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームの品質を表すパラメータとしてＭ²値がある。これは、レーザビームの強度分布の理想的なガウス分布からのずれを表すパラメータであり、レーザ光源のスペックの一つとして表示が求められるようになってきている。
【０００３】
このＭ²値を測定する装置としては、コヒーレント社のモードマスタやキノ・メレスグリオ社のウェーブアライザーがある。
【０００４】
このうち、モードマスタは、図２に示されるように、被測定レーザ光の光軸上に光軸方向に移動可能なレンズ１０１、１０２と、ナイフエッジ１０３を有し、モーター１０５によりこの光軸に直交する軸を中心として回転するドラム１０４と、光検出器１０６とを配置して構成されている。
【０００５】
そして、レンズ１０１と１０２を光軸方向に移動させ、被測定レーザ光の集光位置をずらしつつ、モータ１０５によりドラム１０４を回転させ、集光位置にナイフエッジ１０３を通過させる。こうして光検出器１０６により被測定レーザ光の二次元強度分布であるプロファイルを求め、さらにこのプロファイルからＭ²値を求めている。
【０００６】
一方、ウェーブアライザーは、図３に示されるように、シェアリング干渉計を応用したものであり、シェアプレート１１０と、ミラー１１１ａ、ｂと２台の干渉縞撮影用のＣＣＤカメラ１１２ａ、ｂと、駆動機構１１３を備え、電源１１４と、コンピュータ１１５に接続されている。
【０００７】
そして、シェアプレート１１０を回転させて被測定レーザ光に対して１波長の光路差スキャンニングをつくりだし、ＣＣＤカメラ１１２ａ、ｂを操作して光路差１／４波長の４つの連続的なフリンジイメージを撮像する。これらのフリンジイメージを基にして被測定光のビームの強度分布、波面形状等をコンピュータ１１５により解析し、Ｍ²値を求めている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記いずれの装置も回転部分を含むため、被測定レーザ光との光軸の調整が難しい。また、モードマスタは、レーザビーム内の強度分布を走査して求めており、一方、ウェーブアライザーは、干渉を利用しているため、どちらの装置を用いた場合でもリアルタイムでビームの特性を測定することはできない。特に、いずれの装置でも時間分解を必要とするから、パルスレーザの特性を測定することは不可能であり、Ｍ²値を測定することができない。
【０００９】
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みて、パルスレーザのＭ²値を測定可能で光軸の調整が容易なＭ²測定装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のＭ²測定装置は、(1)測定対象レーザビームの光軸上にこの光軸に沿って移動可能に配置され、レーザビームを集光する無収差の集光レンズと、(2)この集光レンズをレーザビームの光軸に沿って移動させるレンズ駆動手段と、(3)集光レンズの後ろ側焦点面より後方に配置され、入射光を集光する対物レンズと、(4)対物レンズの後ろ側焦点面より後方に配置され、入射光を第１と第２の方向に分岐して出射する光分岐手段と、(5)第１の方向の光軸上に配置され、対物レンズの後ろ側焦点面の光像を拡大あるいは縮小若しくは等倍で結像面に結像するリレーレンズと、(6)リレーレンズの結像面に配置され、結像画像を撮像する第１の撮像素子と、(7)第２の方向の光軸上に配置され、集光レンズにより集光されたビーム像を拡大して投影する拡大結像レンズと、(8)拡大結像レンズの結像面に配置され、結像画像を撮像する第２の撮像素子と、(9)第１の撮像素子で撮像した画像を基にしてビームの拡がり角度を検出するとともに、レンズ駆動手段を制御して集光レンズを移動させながら第２の撮像素子で撮像した画像を基にしてそれぞれの位置におけるビーム径を測定することで最小ビーム径となるビームウェスト位置のビーム径を求め、ビームの拡がり角度とビームウェスト位置のビーム径とを基にしてＭ²値を算出する制御処理部と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、被測定レーザビームは、集光レンズで集光されて、特定の位置にスポットを形成したうえ、このビームはさらに拡散して対物レンズに入射する。対物レンズに入射したビームは、再度集束されて後方へ出射され、その後ろ側焦点面に集光レンズの出射光角に対応した角強度分布像を形成する。この角強度分布像を含むビームは、さらに光分岐手段に送られて２方向に分割される。このうち第１の方向には、リレーレンズが配置され、上述の対物レンズ後ろ側焦点面に形成された角強度分布像と同一の像が第１の撮像素子の入射面に投影され、撮像される。一方、第２の方向には、拡大結像レンズが配置されており、対物レンズの前方で集光レンズにより集光されたスポット像を拡大して第２の撮像素子の入射面に投影している。
【００１２】
ここで、集光レンズを光軸方向に移動させると、集光位置が移動し、そのスポット径も変化する。このうち最小のスポット径がビームウェスト径である。これを第２の撮像素子の撮像データから求める。一方、第１の撮像素子には、対物レンズへの入射角度、つまりビーム拡がり角度に応じた角強度分布像が投影されているから、ビーム拡がり角度を求めることができる。制御処理部は、このビーム拡がり角度とビームウェスト径からＭ²値を求める。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係るＭ²測定装置の全体構造を示す概略構成図である。レーザ光源２０から照射される被測定光であるレーザビームの光路上に、無収差の集光レンズ１が配置されており、この集光レンズ１は、一軸ステージ２により、レーザビームの光軸に沿って移動可能である。この集光レンズ１によるレーザビームの集光位置４より後方に対物レンズ３が配置されており、その後ろ側焦点面５より後方に入射光を２方向の光路に分岐して出力するハーフミラー１２が配置されている。
【００１５】
ハーフミラー１２により分岐された光路のうち一方には、リレーレンズ７が配置されており、このリレーレンズ７の結像面には、拡がり角計測用の二次元画像の撮像素子８が配置されている。
【００１６】
ハーフミラー１２により分岐された他方の光路には、拡大結像レンズ６が配置されており、その結像面には集光径計測用の二次元画像の撮像素子１１が配置されている。各撮像素子８、１１で撮像した画像信号は、信号処理部１０に送られ、処理される。信号処理部１０はまた、ステージ駆動装置９を制御して、一軸ステージ２を駆動する。
【００１７】
続いて、本装置の動作を説明する。一軸ステージ２を駆動させて集光レンズ１を所定の位置に配置する。レーザ光源２０から発せられたレーザビームは集光レンズ１により集光されて、ある特定の集光位置４で集光されたあと、再び拡散して対物レンズ３に入射する。対物レンズ３は、この拡散光束の拡がり角度に対応する像を後ろ側焦点面５に結像する。
【００１８】
この光はさらにハーフミラー１２により２方向に分岐される。分岐された光のうち一方はリレーレンズ７に導かれ、撮像素子８の受光面上に対物レンズ３の後ろ側焦点面に結像された像と同じ像を結像する。これにより、ビームの拡がり角度に対応した画像が撮像されることになる。この画像の大きさとビームの拡がり角度の対応は、対物レンズの光学系により決まるものであり、予めその対応を求めておけば、簡単にビームの拡がり角を求めることができる。
【００１９】
また、ハーフミラー１２により分岐された他方の光は、拡大結像レンズ６に導かれる。拡大結像レンズ６は、対物レンズ３と組み合わせることにより集光位置４のスポットの像を拡大して撮像素子１１の受光面上に投影している。したがって、撮像素子１１では、集光位置４のスポット像に対応する画像が撮像される。
【００２０】
ステージ駆動装置９により一軸ステージ２を制御して集光レンズ１を光軸方向に移動させると、集光位置４が変化する。これに伴い、集光位置４におけるスポット径も変化する。しかし、対物レンズ３の後ろ側焦点面５に結像される像の大きさは変化しない。このため、撮像素子８で撮像される画像の大きさは一定となる。一方、撮像素子１１で撮像される画像の大きさはスポット径の変化に応じて変化する。集光位置４がビームウェスト位置に合致したとき、スポット径は最小となる。逆に集光位置４をずらしていったときに観測される最小スポット径がビームウェスト位置のスポット径であるビームウェスト径である。こうしてビームウェスト径を求めることができる。
【００２１】
信号処理部１０は、このようにしてビームウェスト径とビーム拡がり角度を求め、これらの値を基にして、次式によりＭ²値を求める。
【００２２】
【数１】

ここで、Θはビーム拡がり角度、ｗ₀が求めたビームウェスト直径、λが被測定レーザ光の波長である。
【００２３】
このように、本発明によれば、ほぼリアルタイムでビームの特性値を測定することができるので、被測定レーザ光がパルスレーザの場合でも同様の手法でＭ²値を測定することができる。
【００２４】
また、本装置とレーザ光源の光軸が合っていない場合、レーザ光の光軸が装置の光軸からシフトしている場合は、撮像素子１１への入射光がシフトする。一方、角度がずれている場合は、撮像素子８への入射光がシフトする。したがって、撮像素子８、１１の出力画像を基にして簡単に光軸を調整することができる。本装置は、回転部分を含まないため、集光レンズ１を動かす前に一度光軸を調整すれば測定中に光軸調整を行う必要はない。
【００２５】
さらに、撮像素子１１には、集光位置４におけるビームの像が拡大投影されるから、ビームの強度分布もあわせて確認することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、ビームウェスト径とビーム拡がり角度を同時に計測できるので、迅速かつ容易にＭ²値を求めることができる。特に、パルスレーザ光についても測定が可能である。また、光軸のずれを容易に確認できるので光軸調整も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＭ²測定装置を示す全体概略図である。
【図２】従来のＭ²測定装置を示す概略図である。
【図３】従来の別のＭ²測定装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１…集光レンズ、２…一軸ステージ、３…対物レンズ、４…集光位置、５…後ろ側焦点面、６…拡大結像レンズ、７…リレーレンズ、８、１１…撮像素子、９…ステージ駆動装置、１０…信号処理部、１２…ハーフミラー、２０…レーザ光源。

Claims

レーザビームの品質を表すパラメータであるＭ²値を測定するＭ²測定装置であって、
測定対象レーザビームの光軸上にこの光軸に沿って移動可能に配置され、前記レーザビームを集光する無収差の集光レンズと、
前記集光レンズを前記レーザビームの光軸に沿って移動させるレンズ駆動手段と、
前記集光レンズの後ろ側焦点面より後方に配置され、入射光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズの後ろ側焦点面より後方に配置され、入射光を第１と第２の方向に分岐して出射する光分岐手段と、
前記第１の方向の光軸上に配置され、前記対物レンズの後ろ側焦点面の光像を拡大あるいは縮小若しくは等倍で結像面に結像するリレーレンズと、
前記リレーレンズの結像面に配置され、結像画像を撮像する第１の撮像素子と、
前記第２の方向の光軸上に配置され、前記集光レンズにより集光されたビーム像を拡大して投影する拡大結像レンズと、
前記拡大結像レンズの結像面に配置され、結像画像を撮像する第２の撮像素子と、
第１の撮像素子で撮像した画像を基にしてビームの拡がり角度を検出するとともに、前記レンズ駆動手段を制御して前記集光レンズを移動させながら前記第２の撮像素子で撮像した画像を基にしてそれぞれの位置におけるビーム径を測定することで最小ビーム径となるビームウェスト位置のビーム径を求め、前記ビームの拡がり角度と前記ビームウェスト位置のビーム径とを基にしてＭ²値を算出する制御演算処理部と、
を備えていることを特徴とするＭ²測定装置。