JP4309419B2

JP4309419B2 - 異方性音響光学変調器を利用した光ビーム発生システム及び方法

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Publication number: JP4309419B2
Application number: JP2006296111A
Authority: JP
Inventors: キャロル・ジェイ・カーヴィル; ミャオ・ズー; ケリー・ディー・バグウェル
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: NL1032509C2; NL1032509A1; DE102006028960A1; US7375819B2; US20070097376A1; JP2007128081A; CN1959470A

Description

本発明は、異方性音響光学変調器を利用した光ビーム発生システム及び方法に関するものである。

半導体デバイス製造施設で精密測定に用いられるような偏光ベースまたは多重化ヘテロダイン干渉計における測定光学素子では、一般に、周波数の異なる、直交偏光成分を含む光ビームが利用される。ヘテロダイン干渉法では、二重周波数／二重偏光光源が利用される。２つの直交偏光ビームの周波数差は、あるものの移動可能速度に対する制限になる可能性があり、このタイプの測定システムでは、正確な距離測定が行われる可能性もあるので、重要である。ゼーマン分裂ＨｅＮｅレーザは、直交偏光成分を発生することが可能であるが、周波数差は、最大約８ＭＨｚに制限される。２モード周波数安定化ＨｅＮｅレーザは、周波数分離した２つの直交偏光ビームを発生することも可能であるが、この周波数差は、５００〜１５００ＭＨｚの範囲であり、処理電子装置が簡単に利用できるものではない。速度に関するリソグラフィ産業の要求を満たすが、現在の電子テクノロジに適合する所望の周波数範囲は、約７〜３０ＭＨｚである。

これまで、ヘテロダイン干渉計において所望の周波数分割を生じさせるいくつかの方法が利用されてきた。これら従来の解決法の大部分は、安定化レーザ光源の後で、所望の周波数になるように光を調整することが必要になる。従来の解決法の１つは、２つの高周波音響光学変調器（ＡＯＭ）を利用して、所望の差周波数を発生することである。レーザ光源ビームは、２つの直交偏光ビームに分割される。各直線偏光ビームは、ＡＯＭを介して送られる。各ＡＯＭからの一次回折ビームは、ミラーを用いて向け直され、第２のビーム・スプリッタを用いて、再結合されて、再び、コリニアになり、同一方向に進むことになる（co-bore）。この従来の解決法におけるＡＯＭの絶対周波数は、一般に、理想的であるには高すぎるが（例えば、８０ＭＨｚ）、２つの異なるＡＯＭ間における周波数差は、２つの直交直線偏光ビーム成分を再結合した時、所望の差周波数になるように調整することが可能である（例えば、一方が８０ＭＨｚで、他方が９０ＭＨｚ）。あいにく、これは、所望の結果を得るのに、２つのＡＯＭが用いられるので（ビーム・スプリッタ、２つの反射鏡、及び、ビーム再結合器の働きをする第２のビーム・スプリッタと共に）、よりコストのかかる解決法である。２つのＡＯＭを利用する他の解決法が存在するが、全て、その解決法のコストを増大させることになりがちな、複数コンポーネント（例えば、最低限で２つのＡＯＭ素子及びビーム・スプリッタ）の欠点を有している。

もう１つの従来のアプローチは、単一音波及び複屈折再結合プリズムを備えた、単一の低周波等方性ＡＯＭを利用することである。この方法によれば、前述の２つのＡＯＭによる解決法に比べてコンポーネント数が減少するが、それ自体に重要な問題がある。主たる欠点には、光源の光のかなりの部分が廃棄されるという点（単一偏光出力レーザの場合でも）、この解決法は、達成に多くの空間を必要とするという点、及び、この解決法では、１つの偏光に関するフィードバックだけしか分離されないので、レーザを分離する場合に、ＡＯＭ周波数偏移器（frequency shifter）の副次的利点が十分に実現されないという点がある。この従来の方法の場合、ＡＯＭ素子より前は、単一偏光及び周波数だけが望ましく、従って、ゼーマン分裂ＨｅＮｅレーザの場合、偏光子は、一般に、光源レーザからの他の偏光／周波数成分を除去するために利用される。従って、ビームがＡＯＭに入射する前に、光源光の半分が除去される。

この従来の解決法の等方性音波相互作用には、ビームの偏光に対する効果がなく、従って、回折（一次）周波数シフト・ビームの偏光は、ゼロ次または非回折ビームと同じである。ＡＯＭを出ると、ゼロ次及び一次ビームの周波数差は、市販の現行素子の場合、約２０ＭＨｚになる。ビームを再びコリニアにするジョブは、複屈折再結合プリズムにビームを通すことによって達成される。このタイプのＡＯＭから出射するビームの分離角は小さく、従って、再結合プリズムで平行化された後、再びビームを同一方向に進行させる補償は実施されない。一般に、再結合プリズムの光軸は、ビームの偏光に対して４５度の角度をなす。再結合プリズムによって、各ビームは、直交偏光成分に分割される。一方の成分の屈折率はｎ_eであり、もう一方の成分の屈折率はｎ_oになる。２つのビームは、この屈折率の差のため、入口で別様に屈折し、プリズム／空気界面から出射する。プリズムの頂角は、各ビームの一方の偏光成分を再び平行にすることができるように最適化される。再結合プリズムを出る他の２つの望ましくない偏光ビームは、所望のビームに対して平行ではなく、隙間がある。この再結合方式では、一次ビーム及びゼロ次ビームの光パワーの半分が有効に放棄される。最終結果は、周波数分割を増加させるこの従来の単一等方性ＡＯＭ法を利用することによってゼーマン分裂レーザのもとの光源光パワーの３／４（ＡＯＭ素子がラマン・ナス方式で動作する場合には、さらに多く）が失われる。

ヘテロダイン干渉法用光源の場合、この光源は顧客の装置に取り付けられることが多いので、設置面またはパッケージは小さいことが望ましい。単一低周波等方性ＡＯＭ解決法には、望ましい空間よりも広い空間を要するという問題がある。低周波等方性ＡＯＭの場合、十分な効率を得るには、長い相互作用長が必要になるので、素子自体がかなり長くなる。また、この素子の回折次数間の分離角が小さいので、一般に、再結合プリズムの後で、望ましくないビームを開口で排除するのに十分なビーム分離を実現するには、長い距離が利用される。従って、ピンホール空間フィルタに光を集束させるための設置面の長い追加光学素子、または、パッケージ内におけるビーム光路を折りたたむための追加光学素子を用いて、この問題に対処することが可能である。

さらに、ゼロ次または一次ビームに単一の低周波等方性ＡＯＭを利用する場合、その光路内の周波数は、依然として、レーザ周波数であるため（シフト・アップあるいはシフト・ダウンされない）、ゼロ次ビームによって、レーザがフィードバックから保護されることはない。ビームをレーザに戻す、このビーム上流からの反射によって、波長安定性の問題、及び、可能性のあるレーザのロック損失が生じることになる。

もう１つの従来のアプローチでは、同じ等方性ＡＯＭにおいて、２つの周波数シフトしたビームが発生する。両方のビームに関する周波数シフトは、いくつかの異なる方法で実施される。第１の方法は、ＡＯＭにおいて１つの音波を利用することである。単一周波数偏光ビームを２つの直交偏光ビームに分割するため、ＡＯＭの前に偏光ビーム・スプリッタが設けられている（または、ＡＯＭに取り付けられている）。偏光ビーム・スプリッタは、２つの直交偏光ビームをＡＯＭ素子から±ブラッグ角度に向けて、単一音波周波数ずつ、一方のビームがアップ・シフトされ、一方のビームがダウン・シフトされるようにするタスクも実施する。ＡＯＭ自体は、等方性であり、ビームの偏光に影響することはない。出射ビーム間の周波数差は、ＡＯＭ周波数の２倍である。単一等方性ＡＯＭのもう１つの形態では、より長い結晶が利用され、各偏光ビームは、ＡＯＭの２つの変換器によって発生する２つの音波を順次通って進行する。出射ビームの最終結果は、２つのＡＯＭ変換器の周波数差の２倍の周波数差である。やはり、これは、等方性相互作用であり（すなわち、変更に影響することはない）、ビーム・スプリッタは、発散方向に進む２つの直交偏光ビームを発生するため、ＡＯＭ素子の前に用いられる。

本発明は、光パワーを大幅に節減することができる光源システムおよび干渉計システムを提供することを課題とするものである。

本発明に係る光源システムは、第１の光入射ビームを発生するビーム光源と、前記第１の入射ビームを受光するように配置されており、制御信号を受信すると対応する音波を発生し、前記第１の入射ビームに作用して、異なる周波数及び直交直線偏光の第１及び第２の出射ビームを発生する複数の変換器を含んでいる異方性音響光学変調器と、を含み、前記第１及び第２の出射ビームの結合光パワーが、１つの偏光を有する第１の入射ビーム及び２つの偏光を有する第１の入射ビームに関して、前記第１の入射ビームの光パワーとほぼ同じであることを特徴としている。

前記第１の光入射ビームには、第１及び第２のビーム成分が含まれてよい。前記第１のビーム成分は第１の直線偏光及び第１の周波数を有し、前記第２のビーム成分は第２の直線偏光及び第２の周波数を有する。前記第１及び第２の直線偏光は直交する。

前記異方性音響光学変調器は、制御信号に応答して、前記第１及び第２のビーム成分の偏光及び周波数を変化させ、それによって、それぞれ、前記第１及び第２のビーム成分に対応する前記第１及び第２の出射ビームを発生するように作動することができる。前記第１の出射ビームは前記第２の直線偏光を有す、前記第２の出射ビームは前記第１の直線偏光を有する。

前記異方性音響光学変調器は、前記第１のビーム成分の周波数を第１の量だけ上昇させ、前記第２のビーム成分の周波数を第２の量だけ低下させるように構成することができる。前記第１の光入射ビームは、単一周波数、単一偏光の光ビームであってよい。
前記異方性音響光学変調器は、前記第１の入射光ビームから第１及び第２のビーム成分を発生することができる。前記第１のビーム成分は第１の直線偏光を有し、前記第２のビーム成分は第２の直線偏光を有する。前記第１及び第２の直線偏光は直交する。

前記異方性音響光学変調器は、制御信号に応答して前記第１及び第２のビーム成分の偏光及び周波数を変化させ、それによって、それぞれ、前記第１及び第２のビーム成分に対応する前記第１及び第２の出射ビームを発生するように作動することができる。前記第１の出射ビームは、前記第２の直線偏光を有し、前記第２の出射ビームは、前記第１の直線偏光を有する。

前記異方性音響光学変調器は、前記第１のビーム成分の周波数を第１の量だけ上昇させ、前記第２のビーム成分の周波数を第２の量だけ低下させるように構成することができる。さらに、前記入射ビームの周波数を第１の量だけ変化させるように構成された等方性音響光学変調器を含むことができる。前記異方性音響光学変調器と前記等方性音響光学変調器は、単一パッケージにおいて事前アライメントがとられる。

本発明に係る干渉計システムは、第１の光入射ビームを発生するビーム光源と、前記第１の入射ビームを受光するように配置されていて、制御信号を受信すると複数の音波を発生し、前記第１の入射ビームに作用して、異なる周波数及び直交直線偏光の第１及び第２の出射ビームを発生する複数の変換器を含み、前記第１及び第２の出射ビームの結合光パワーが、１つの偏光を有する第１の入射ビーム及び２つの偏光を有する第１の入射ビームに関して、前記第１の入射ビームの光パワーとほぼ同じである、異方性音響光学変調器と、前記第１及び第２の出射ビームに基づいて、基準ビーム及び測定ビームを発生するための干渉計光学素子と、前記基準ビーム及び測定ビームに基づいて、移動情報を求めるための解析システムと、を有する。

下記の詳細な説明では、その一部をなし、本教示による具体的な、例証となる実施形態が示された添付の図面が参照される。もちろん、付属の請求の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することもできるし、あるいは、論理的変更を施すことも可能である。従って、下記の詳細な説明は、制限の意味に解釈するべきではなく、本発明の範囲は、付属の請求項によって定義される。

図１は、本教示による第１の実施形態において、直交直線偏光した周波数シフト・ビームを発生するためのシステム１００Ａが例示されている。システム１００Ａには、レーザ光源（レーザ）１０２と、音響光学変調器（ＡＯＭ）１０８が含まれている。レーザ１０２は、直交直線偏光（例えば、水平または垂直）した、２つの異なる周波数成分（ｆ１及びｆ２）を備えるヘテロダイン・ビーム１０４の光源の働きをする。図において、ビーム成分１０６Ａのような、垂直偏光したビームまたはビーム成分は、上方及び下方を指す矢印によって表わされ、ビーム成分１０６Ｂのような、水平偏光したビームまたはビーム成分は、円によって表わされている。レーザ１０２の典型的な実施形態の１つは、ゼーマン分裂を利用して、同じレーザ共振器において２つの周波数成分を発生する、アジレント・テクノロジ社から入手可能なモデル５５１７Ｂのような市販のＨｅ−Ｎｅレーザである。このように、ゼーマン分裂によって、周波数がｆ１及びｆ２で、周波数差（ｆ２−ｆ１）が約２ＭＨｚの周波数成分を備えたレーザ・ビームを発生することが可能である。２つの周波数成分ｆ１及びｆ２は、逆の円偏光状態にあり、四分の一波長板を用いて、２つの周波数成分が直交直線偏光状態になるように、周波数成分の偏光が変化させられる。もう１つの具体的実施形態では、レーザ１０２は、２モード周波数安定化レーザである。ゼーマン・レーザは、周波数安定性が２モード周波数安定化法を利用したレーザより優れている。

例示の実施形態の場合、ＡＯＭ１０８は、ＴｅＯ₂一軸結晶を備えた低周波Ｓ波ＡＯＭである。ＡＯＭ１０８の実施に利用するのに適したＡＯＭ素子の一例としては、５２６３ＰｏｒｔＲｏｙａｌＲｏａｄ，Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，ＶＡ２２１５１の本社を置く、ＩｓｏｍｅｔＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ｗｗｗ．ｉｓｏｍｅｔ．ｃｏｍ）によって生産されているＦＳ１１０２ＡＯＭがある。ＡＯＭ１０８には、制御信号を受信する電気音響変換器１１０が含まれている。電気音響変換器１１０は、電気信号を、ＡＯＭ１０８の結晶を介して放出される音波に変換する。変換器１１０は、同じ周波数または異なる周波数で、伝搬方向間の角度が小さい２つの音波（すなわち、２つの音波は、図１においてＫ１及びＫ２で識別される、異なる伝搬ベクトルを有している）によってＡＯＭ１０８を励起する。２つの音波またはビームが用いられることによって、入射ビーム成分１０６Ａ及び１０６Ｂの両方とも、正確な位相整合が可能になる。音波のうち第１のものは、直交偏光レーザ光源ビーム１０４の水平偏光１０６Ｂに作用し、音波のうち第２のものは、光源ビーム１０４の垂直偏光１０６Ａと位相整合する。

ＡＯＭ１０８の結晶におけるある特定の伝搬方向を有するレーザ・ビーム１０４の場合、偏光に従って、レーザ・フィールドを２つの成分に分解することが可能である。成分の一方は、正常波と呼ばれ、もう一方は、異常波と呼ばれる。正常波の伝搬速度は、異常波の伝搬速度と異なる。ＡＯＭ１０８の結晶内に音場がなければ、正常波及び異常波は、その伝搬方向、並びに、その偏光を保持する。レーザ・ビーム１０４の伝搬方向及びＡＯＭ１０８の結晶における音場は、入射レーザ・ビーム１０４の異常波が、音場の１つによって、位相整合がとられて、正常波にダウン・コンバート（回折）されるように選択される。同時に、入射レーザ・ビーム１０４の正常波は、もう１つの音場によって、位相整合がとられて、異常波にアップ・コンバート（回折）される。

ＡＯＭ１０８は、低周波シヤー・モード（shear mode）で動作する。ＡＯＭ１０８によって、２つの入射ビーム成分１０６Ａ及び１０６Ｂが逆方向に回折し、その結果、成分１０６Ａに対応するプラスの一次ビーム１１４Ａと、成分１０６Ｂに対応するマイナスの一次ビーム１１４Ｂが生じる。ＡＯＭ１０８によって、成分１０６Ａの周波数が上昇し、成分１０６Ｂの周波数が低下し、成分１０６Ａと１０６Ｂの両方の偏光が９０度回転する。最終効果は、入射ビーム成分１０６Ａと１０６Ｂが、両方とも、偏光を変化させるが（すなわち、水平が垂直になり、垂直が水平になる）、ビームは直交偏光のままであり、この時点で、その周波数差は下記方程式Ｉによって示される。
方程式Ｉ
ｆｓｐｌｉｔ＝（ｆ１＋ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ１）−（ｆ２−ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ２）
ここで、
ｆｓｐｌｉｔ＝ビーム１１４Ａの周波数とビーム１１４Ｂの周波数の差、
ｆ１＝ビーム成分１０６Ａの周波数、
ｆ２＝ビーム成分１０６Ｂの周波数、
ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ１＝変換器１１０に加えられる第１の信号の周波数、
ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ２＝変換器１１０に加えられる第２の信号の周波数。

本教示による具体的実施形態の１つにおいて、ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ１及びｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ２は、両方とも、約１０〜４５０ＭＨｚの範囲内である。図１に示す実施形態の場合、ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ１は、ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ２と同じであり、この共通周波数は、図１において項「ｆＡＯＭ」によって識別される。

一例として、変換器１１０に、１０ＭＨｚのＲＦ制御信号が加えられると、ＡＯＭ１１８によって生じる周波数分割または差が２０ＭＨｚの場合、出射ビーム１１４Ａ及び１１４Ｂは、両方とも、１０ＭＨｚだけ、ただし逆方向に周波数シフトされることになる（すなわち、プラス１０ＭＨｚ及びマイナス１０ＭＨｚ）。ゼーマン・レーザ光源１０２によって、２ＭＨｚの分割（すなわち、｜ｆ２−ｆ１｜＝２ＭＨｚ）が生じる場合、システム１００によって、ビーム１１４Ａ及び１１４Ｂに１８ＭＨｚまたは２２ＭＨｚの全周波数分割（ｆｓｐｌｉｔ）が生じることになる。本教示による具体的実施形態において、ビーム１１４Ａ及び１１４Ｂにおける全周波数分割（ｆｓｐｌｉｔ）は、８〜３０ＭＨｚの範囲内である。

異方性ＡＯＭ１０８の利用が、既に２つの直交偏光及び周波数を有している、ゼーマン分裂レーザ１０２にとって最適である。図１に示す実施形態の場合、入射ビーム成分１０６Ａと入射ビーム成分１０６Ｂの間の周波数差｜ｆ１−ｆ２｜を増大させるために、単一低周波異方性ＡＯＭ１０８が利用される。適切な周波数をＡＯＭ１０８に適用し、同じ実施形態を利用して、入射ビーム成分１０６Ａと入射ビーム成分１０６Ｂの間の周波数差｜ｆ１−ｆ２｜を減少させることも可能である。本教示による具体的実施形態の１つでは、ビーム１１４Ａ及び１１４Ｂの結合光パワーは、ビーム１０４の光パワーとほぼ同じになる。

図２は、本教示による第２の実施形態において、直交直線偏光した周波数シフト・ビームを発生するためのシステム１０Ｂを例示した図である。例示の実施形態の場合、システム１００Ｂには、システム１００Ａ（図１）と同じレーザ光源（レーザ）１０２と音響光学変調器（ＡＯＭ）１０８が含まれており、図２に示すＡＯＭは、図１に関連して上述のところと同様の働きをする。システム１００Ｂとシステム１００Ａとの相違点の１つは、システム１００Ｂには、レーザ１０２とＡＯＭ１０８の間に配置された第２のＡＯＭ２０２が含まれるということである。ＡＯＭ２０２は、ビーム１０４の両成分１０６Ａ及び１０６Ｂの周波数を同じ量（例えば、３０〜５００ＭＨｚ）だけアップ・シフトまたはダウン・シフトする高周波等方性ＡＯＭである。

図１に関連して上述のように、ＡＯＭ１０８は、ビーム１０４の第１の成分１０６Ａの周波数（ｆ１）をアップ・シフトし、ビーム１０４の第２の成分１０６Ｂの周波数（ｆ２）をダウン・シフトする。用途によっては、ＡＯＭ１０８によって施される周波数シフトが、光フィードバックからレーザ１０２をアイソレートするのに十分ではない場合もあり得る。さらなるアイソレーションを施すために、レーザ１０２とＡＯＭ１０８の間にＡＯＭ２０２月生かされる。ＡＯＭ２０２は、より有効な光アイソレーションを施すため、ビーム１０４の両成分１０６Ａ及び１０６Ｂの周波数を同じ比較的大きい量（例えば、８０ＭＨｚ）だけアップ・シフトするために利用される、等方性高周波ＡＯＭである。ＡＯＭ２０２は等方性のため、直交ビーム成分１０６Ａ及び１０６Ｂの偏光がＡＯＭ２０２によって影響されることはない。本教示による具体的実施形態の１つでは、ＡＯＭ１０８及びＡＯＭ２０２は、単一パッケージ内において事前アライメントがとられている。

ＡＯＭ２０２は、アップ・シフトした周波数成分（ｆ１＋ｆＡＯＭ１及びｆ２＋ｆＡＯＭ１）を備える出射ビーム２０４を発生するが、ここで、ｆＡＯＭ１はＡＯＭ２０２に適用される信号周波数（例えば、８０ＭＨｚ）を表わしている。第１のアップ・シフト周波数成分２０６Ａ（ｆ１＋ｆＡＯＭ１）は、垂直直線偏光しており、第２のアップ・シフト周波数成分２０６Ｂ（ｆ２＋ｆＡＯＭ１）は、水平直線偏光している。ＡＯＭ２０２からの出射ビーム２０４は、入射ビームとしてＡＯＭ１０８に送られる。

図２に示す実施形態の場合、ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ１（方程式Ｉ）は、ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ２（方程式Ｉ）と同じであり、この共通周波数は、図２において、項「ｆＡＯＭ２」として識別される。ＡＯＭ１０８によって、ビーム２０４の第１の成分２０６Ａ（ｆ１＋ｆＡＯＭ１）の周波数が量ｆＡＯＭ２だけアップ・シフトされて、第１の成分の偏光が垂直から水平に変化し、結果として、周波数がｆ１＋ｆＡＯＭ１＋ｆＡＯＭ２の水平偏光ビーム２１２Ａが生じることになる。同様に、ＡＯＭ１０８によって、ビーム２０４の第２の成分２０６Ｂ（ｆ２＋ｆＡＯＭ１）の周波数が量ｆＡＯＭ２だけダウン・シフトされて、第２の成分の偏光が水平から垂直に変化し、結果として、周波数がｆ２＋ｆＡＯＭ１−ｆＡＯＭ２の垂直偏光ビーム２１２Ｂが生じることになる。

図２に示す実施形態の場合、ビーム２１２Ａは、レンズ２１４Ａによって光ファイバ２１６Ａに結合され、ビーム２１２Ｂは、レンズ２１４Ｂによって光ファイバ２１６Ｂに結合される。ビーム２１２Ａ及び２１２Ｂは、光ファイバ２１６Ａ及び２１６Ｂによって下流のビーム結合装置まで送られ、そこで結合されて、計測位置において干渉計光学素子に用いられる結合ビームになる。本教示による具体的実施形態の１つでは、ファイバ２１６Ａ及び２１６Ｂは、偏波保存（ＰＭ）ファイバである。

ファイバ２１６Ａ及び２１６Ｂを利用することによって、レーザ１０２とＡＯＭ１０８及び２０２が干渉計光学素子の熱環境に影響しないように、レーザ１０２とＡＯＭ１０８及び２０２を干渉計光学素子から遠隔の位置に設けることが可能になる。対応する個別ファイバ２１６Ａ及び２１６Ｂによって個別ビーム２１２Ａ及び２１２Ｂを送ることによって、偏光成分間のクロストークが回避される。ファイバ２１６Ａ及び２１６Ｂを利用して、光を下流に送ることによって、（１）光ファイバによって光が送られる場合に、周囲温度の変動によって生じるポインティング安定性問題の補償が不要になる、（２）ビーム２１６Ａ及び２１６Ｂを同一方向に進行させるための追加光学素子が不要になり、コリニアリティの規格がより緩やかになる、及び、（３）光ファイバによる伝送とシステム１００Ｂによって生じる分割周波数の上昇とが相俟って、下流の計測段領域における発熱の可能性のある電子機器の必要が軽減されるか、または、必要がなくなるといった、他のいくつかの利点が得られる。

図２に示す実施形態の場合、ＡＯＭ２０２は、等方性ＡＯＭである。もう１つの実勢形態では、ＡＯＭ２０２は、両ビーム成分１０６Ａ及び１０６Ｂの偏光を変化させる異方性ＡＯＭである。

図２に示す実施形態の場合、ＡＯＭ２０２は、レーザ１０２とＡＯＭ１０８の間に配置されている。もう１つの実施形態では、ＡＯＭ２０２は、ＡＯＭ１０８とレンズ２１４Ａ及び２１４Ｂの間に配置されている。

図３は、本教示による第３の実施形態において、直交直線偏光した周波数シフト・ビームを発生するためのシステム１００Ｃを例示した図である。例示の実施形態の場合、システム１００Ｃには、システム１００Ｂ（図２）と同じレーザ光源（レーザ）１０２と音響光学変調器（ＡＯＭ）１０８及び２０２が含まれており、図３に示すレーザ１０２とＡＯＭ１０８及び２０２は、図２に関連して上述のところと同様の働きをする。システム１００Ｃとシステム１００Ｂの相違点の１つは、システム１００Ｃには、レンズ２１４Ａ及び２１４Ｂではなく複屈折再結合プリズムまたはウェッジ３０２と、図２に示す光ファイバ２１６Ａ及び２１６Ｂが含まれるということである。

異方性ＡＯＭ１０８は、屈折角が単一等方性ＡＯＭを用いた従来の解決法より大きく、従って、光ファイバによる伝送が利用されない場合には、出射ビーム２１２Ａ及び２１２Ｂの同一方向への進行（コリニアリティに加えて）に対処すべきである。図３に示す実施形態の場合、コリニアリティ角は、複屈折再結合プリズム３０２で調整される。プリズム３０２は、ＡＯＭ１０８からビーム２１２Ａ及び２１２Ｂを受光し、これらのビーム２１２Ａ及び２１２Ｂを向け直して、対応する平行ビーム３０６Ａ及び３０６Ｂを送り出す。プリズム３０２の光軸は、図３において３０４で識別される。２つのビーム２１２Ａ及び２１２Ｂは、入口で別様に屈折して、プリズム／空気界面から出射し、プリズム３０２は、入射ビーム２１２Ａ及び２１２Ｂを対応する平行ビーム３０６Ａ及び３０６Ｂにするのに適した配置が施されている。ＡＯＭ１０８から出射するビーム２１２Ａ及び２１２Ｂは、直交偏光され、従って、再結合プリズム３０２で失われる光は極めてわずかである。

図４は、本教示による第１の実施形態における平行ビームの結合を例示した図である。図４に示すように、プリズム３０２（図３）によって生じる平行ビーム３０６Ａ及び３０６Ｂは、レンズ４０２に送られる。レンズ４０２によって、ビーム３０６Ａ及び３０６Ｂが結合され、その結果、偏波保存光ファイバ４０４に送り込まれる結合ビームが生じる。光ファイバ４０４によって、結合ビームは下流に送られ、計測位置の干渉計光学素子に達する。

図５は、本教示による第２の実施形態における平行ビームの結合を例示した図である。図５に示すように、プリズム３０２（図３）によって生じる平行ビーム３０６Ａ及び３０６Ｂは、ウォーク・オフ・プリズム５０２に送られる。ウォーク・オフ・プリズム５０２によって、ビーム３０６Ａ及び３０６Ｂは、共に、逆方向に「ずれて」、同一方向に進行することになり、その結果、結合ビーム５０４が生じる。結合ビーム５０４は、水平偏光した一方の成分５０６Ａと、垂直偏光したもう一方の成分５０６Ｂを有している。結合ビーム５０４は、計測位置の干渉計光学素子に送られる。プリズム３０２の傾斜を調整することによって、不完全なウォーク・オフ・プリズムによって生じる、コリニアリティの誤差を補償することが可能である。

図６は、本教示による２周波数干渉計システム６００を例示したブロック図である。干渉計６００には、レーザ光源１０２、ＡＯＭ１０８、レンズ６０２Ａ及び６０２Ｂ、光ファイバ６５０及び６５５、ビーム結合装置６６０、解析システム６８０、及び、干渉計光学素子６９０が含まれている。レーザ１０２及びＡＯＭ１０８は、図１に関連して上述のように動作し、直線直交偏光ビーム１１４Ａ及び１１４Ｂを発生する。レーザ１０２は、ゼーマン分裂を利用して、ヘテロダイン・ビーム１０４を発生し、異方性ＡＯＭ１０８は、２つのビーム成分１０６Ａ及び１０６Ｂの偏光を反転させ、２つのビーム成分１０６Ａ及び１０６Ｂ間の周波数差を増大させることによって、直線直交偏光ビーム１１４Ａ及び１１４Ｂを発生する。もう１つの実施形態の場合、システム６００は、図６に示すように光ファイバによる伝送を利用するのではなく、自由ビーム・システムとして構成される。さらにもう１つの実施形態の場合、システム６００には、図２及び図３に示し、先に述べたように、レーザ１０２と異方性ＡＯＭ１０８との間に、または、ＡＯＭ１０８の後に配置された第２のＡＯＭ２０２が含まれている。

図６に示す実施形態の場合、レンズ６０２Ａ及び６０２Ｂによって、ビーム１１４Ａ及び１１４Ｂは、それぞれ、個別偏波保存光ファイバ６５０及び６５５に集束する。偏波保存光ファイバ６５０及び６５５によって、ビーム１１４Ａ及び１１４Ｂはビーム結合装置６６０に送られ、ビーム結合装置において、ビーム・コンバイナ６７０に送り込まれる。

光ファイバ６５０及び６５５を利用することによって、レーザ１０２及びＡＯＭ１０８を干渉計光学素子６９０から遠くに取り付けることが可能になる。従って、レーザ１０２及びＡＯＭ１０８で発生する熱によって、干渉計光学素子６９０の熱環境が乱されることはない。さらに、レーザ１０２及びＡＯＭ１０８は、干渉計光学素子６９０に対して位置が固定される必要はなく、そのため、計測される物体６９９の近くにおいて利用可能な空間が制限される用途の場合、かなり有利になる可能性がある。

ビーム結合装置６６０によって、ビーム・コンバイナ６７０で結合される、光ファイバ６５０及び６５５からの入射ビーム１１４Ａ（ＩＮＲ）と入射ビーム１１４Ｂ（ＩＮＴ）の正確なアライメントがとられ、コリニア出射ビームＣＯｕｔが形成される。ビーム・コンバイナ６７０は、逆に用いられるコーティングされた偏光ビーム・スプリッタとすることが可能である。結合ビームＣＯｕｔは、干渉計光学素子６９０に入射する。干渉計光学素子６９０では、ビーム・スプリッタ６７５によって、ビームＣＯｕｔの一部が解析システム６８０に反射され、解析システム６８０では、ビーム・スプリッタ６７５で反射された光の２つの周波数成分が第１及び第２の基準ビームとして利用される。結合ビームＣＯｕｔの残りの部分は、偏光ビーム・スプリッタ６９２に入射する前に、ビーム・エキスパンダ（不図示）によってサイズを拡大することが可能である。

偏光ビーム・スプリッタ６９２によって、一方の偏光（すなわち、一方の周波数ビーム）が反射されて、光学素子６９６を介して基準リフレクタ６９８に送られる第３の基準ビームを形成し、もう一方の偏光（すなわち、もう一方の周波数ビーム）は透過させられ、光学素子６９４を介して、測定ビームとして、計測される物体６９９に向かう。干渉計光学素子６９０の代替バージョンでは、偏光ビーム・スプリッタによって、測定ビームを形成する成分が透過させられ、基準ビームを形成する成分が反射される。

計測される物体６９９が移動すると、測定ビームと第３の基準ビームが結合して、ビート信号を形成することによって、解析システム６８０が測定する測定ビームに位相変化が生じることになる。物体６９９の移動によって生じる位相変化を正確に求めるため、このビート信号の位相と、第１及び第２の基準ビームの結合から発生する基準ビート信号の位相を比較することが可能である。解析システム６８０は、位相変化を解析して、物体６９９の移動速度及び／または距離を求める。

図７は、本教示による第４の実施形態において、直交直線偏光した周波数シフト・ビームを発生するためのシステム１００Ｄを例示した図である。例示の実施形態の場合、システム１００Ｄには、システム１００Ａ〜１００Ｃと同じ音響光学変調器（ＡＯＭ）１０８が含まれるが、システム１００Ｄでは、システム１００Ａのレーザ１０２とは異なるレーザ７０２が用いられている。図７に示す実施形態の場合、レーザ７０２は、単一直線偏光した、単一周波数（ｆ１）のビームの光源７０４として機能する。単一直線偏光波、例示の実施形態の場合、４５度偏光であり、図７において矢印７０６で表示されている。

ＡＯＭ１０８は、ビーム・スプリッタとして機能し、入射ビーム７０４を水平偏光ビーム成分と垂直偏光ビーム成分に分割する。ＡＯＭ１０８によって、これら２つの直交偏光ビーム成分は逆方向に回折し、その結果、プラスの一次ビーム７１４Ａとマイナスの一次ビーム７１４Ｂが生じる。ＡＯＭ１０８によって、一方のビーム成分の周波数が上昇し、もう一方のビーム成分の周波数が低下し、両ビーム成分の偏光が９０度回転する。最終結果は、両ビーム成分の偏光が変化するが（すなわち、水平が垂直になり、垂直が水平になる）、ビームは直交偏光のままであり、従って、周波数差は下記方程式ＩＩによって示される。
方程式ＩＩ
ｆｓｐｌｉｔ＝（ｆ１＋ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ１）−（ｆ１−ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ２）
ここで、
ｆｓｐｌｉｔ＝ビーム７１４Ａの周波数とビーム７１４Ｂの周波数の差、
ｆ１＝ビーム成分７０４の周波数、
ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ１＝変換器１１０に加えられる第１の信号の周波数、
ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ２＝変換器１１０に加えられる第２の信号の周波数。

本教示による具体的実施形態の１つにおいて、ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ１及びｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ２は、両方とも、約１０〜４５０ＭＨｚの範囲内である。図７に示す実施形態の場合、ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ１は、ｆａｏｍｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ２と同じであり、この共通周波数は、図７において項「ｆＡＯＭ」によって識別される。

一例として、変換器１１０に、１０ＭＨｚのＲＦ制御信号が加えられると、ＡＯＭ１１８によって生じる周波数分割または差が２０ＭＨｚの場合、出射ビーム７１４Ａ及び７１４Ｂは、両方とも、１０ＭＨｚだけ、ただし逆方向に周波数シフトされることになる（すなわち、プラス１０ＭＨｚ及びマイナス１０ＭＨｚ）。本教示による具体的実施形態において、ビーム７１４Ａ及び７１４Ｂにおける全周波数分割（ｆｓｐｌｉｔ）は、８〜３０ＭＨｚの範囲内である。

本教示によるもう１つの実施形態の場合、入射ビーム７０４は、４５度以外の偏光状態にある。ビーム７０４に関してどんな偏光状態が選択されるかに関係なく、ビーム７０４がＡＯＭ１０８の結晶に入射すると、偏光は２つの直交固有偏光に分解される。各固有偏光の光パワーは、入射ビーム７０４の偏光状態によって決まる。本発明の形態の１つでは、光パワーの等しい、２つの出射ビーム７１４Ａ及び７１４Ｂが生じるので、ＡＯＭ１０８の結晶の光軸から４５度の向きの直線偏光が、ビーム７０４に利用される。本教示による具体的実施形態の１つでは、ビーム７１４Ａ及び７１４Ｂの結合光パワーは、ビーム７０４の光パワーとほぼ同じである。

本教示によるもう１つの実施形態の場合、システム１００Ｄには、図２及び図３に示し、既に述べたように、レーザ７０２と異方性ＡＯＭ１０８の間、または、ＡＯＭ１０８の後に配置された第２のＡＯＭ２０２が含まれている。本教示によるある具体的実施形態の場合、干渉計システム６００（図６）は、図６に示す２周波数、２偏光のレーザ１０２ではなく、レーザ７０２のような単一周波数、単一偏光のレーザを利用する。

本教示による具体的実施形態によって、従来の解決法に比べていくつかの利点が得られることになる。本教示による具体的実施形態によれば、光パワーが大幅に節減され、より小さい空間での実施可能になり、光アイソレーションが従来の解決法よりも有効になる。異方性低周波ＡＯＭ素子１０８の場合、相互作用長がより短く、ＡＯＭ１０８から出射するビームの分離角が、単一等方性ＡＯＭ素子を用いる従来の解決法に比べて大きくなる。これらの特性の両方によって、最終製品のパッケージがより小さくコンパクトになる。相互作用長が短くなるということは、ＡＯＭ素子１０８をずっと小さくすることができるということである。分離角が大きいということは、望ましくないビームの開口による排除がより短い距離で可能になるということである。ＡＯＭ１０８によって生じる両ビームは、周波数がシフトされるので、ＡＯＭ１０８は、レーザ１０２にとって、単一等方性ＡＯＭを用いる従来の解決法よりも優れた光アイソレータである。

本教示による具体的実施形態は、ＡＯＭ素子１０８の前に、偏光ビーム・スプリッタを利用して、単一偏光ビームを２つの直交偏光ビームに分割し、ビームの方向を変更するわけではないので、２つの高周波ＡＯＭを利用する従来の解決法ほど複雑ではない。加えて、ＡＯＭ１０８は、多くの従来の解決法で用いられる等方性相互作用ではなく、異方性相互作用を利用するという点で、なおさら、これら従来の解決法と区別することができる。

従来のアプローチの１つでは、２つの音響周波数が連続するように、異方性ＡＯＭを利用して、単一偏光光源から直交偏光した周波数シフト・ビームを発生させる。対照的に、本教示による二重音波ＡＯＭ１０８を利用する具体的実施形態では、単一入射偏光から２つの直交偏光を発生することはない。そうではなく、ＡＯＭ１０８では、一方のビームをアップ・シフトし、もう一方のビームをダウン・シフトしている間、素子１０８全体にわたってレーザ１０２の２つの偏光を保存される。

本教示による他の具体的実施形態の場合、ＡＯＭ１０８は、単一偏光光源から直交偏光した周波数シフト・ビームを発生するように構成されている。ＡＯＭ１０８が、単一偏光光源に利用されるか、あるいは、ゼーマン・レーザのような２偏光光源に利用されるかに関係なく、ある具体的実施形態によるＡＯＭでは、ＡＯＭ１０８に与えられる入射ビームの光パワーが保存または維持される。従って、これら両方の場合とも、ＡＯＭ１０８を出る出射ビームの結合光パワーは、ＡＯＭ１０８に入射する入射ビームの光パワーとほぼ同じである。

本明細書では、具体的実施形態について例証し、解説してきたが、通常の当該技術者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、図示され、解説された具体的実施形態の代わりに、さまざまな代替及び／または同等実施例を用いることが可能である。本出願は、本明細書に解説の具体的実施形態に対するいかなる改変または変更をも包含することを意図したものである。従って、本発明は、請求項及びその同等物による制限だけしか受けないものとする。

本教示による第１の実施形態において、直交直線偏光した周波数シフト・ビームを発生するためのシステムを例示した図である。本教示による第２の実施形態において、直交直線偏光した周波数シフト・ビームを発生するためのシステムを例示した図である。本教示による第３の実施形態において、直交直線偏光した周波数シフト・ビームを発生するためのシステムを例示した図である。本教示による第１の実施形態におけるビームの結合を例示した図である。本教示による第２の実施形態におけるビームの結合を例示した図である。本教示による実施形態の１つにおける干渉計システムを例示したブロック図である。本教示による第４の実施形態において、直交直線偏光した周波数シフト・ビームを発生するためのシステムを例示した図である。

符号の説明

１００Ａ光源システム
１００Ｄ光源システム
１０２ビーム光源
１０８異方性音響光学変調器
１１０変換器
６００干渉計システム
６８０解析システム
６９０干渉計光学素子
７０２ビーム光源

Claims

第１の光入射ビームを発生するビーム光源と、
前記第１の入射ビームを受光するように配置されており、制御信号を受信すると対応する音波を発生し、前記第１の入射ビームに作用して、異なる周波数及び直交直線偏光の第１及び第２の出射ビームを発生する複数の変換器を含んでいる異方性音響光学変調器と、を備え、
前記第１の光入射ビームに、第１及び第２のビーム成分が含まれ、前記第１のビーム成分が第１の直線偏光及び第１の周波数を有するとともに、前記第２のビーム成分が第２の直線偏光及び第２の周波数を有し、前記第１及び第２の直線偏光が直交していることを特徴とする、光源システム。
前記異方性音響光学変調器が、制御信号に応答して、前記第１及び第２のビーム成分の偏光及び周波数を変化させ、それによって、それぞれ、前記第１及び第２のビーム成分に対応する前記第１及び第２の出射ビームを発生する働きをし、前記第１の出射ビームが前記第２の直線偏光を有するとともに、前記第２の出射ビームが前記第１の直線偏光を有することを特徴とする、請求項１に記載の光源システム。
前記異方性音響光学変調器が、前記第１のビーム成分の周波数を第１の量だけ上昇させ、前記第２のビーム成分の周波数を第２の量だけ低下させるように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の光源システム。
さらに、前記入射ビームの周波数を第１の量だけ変化させるように構成された等方性音響光学変調器が含まれ、前記異方性音響光学変調器と前記等方性音響光学変調器が、単一パッケージにおいて事前アライメントがとられることを特徴とする、請求項１に記載の光源システム。
第１の光入射ビームを発生するビーム光源と、
前記第１の入射ビームを受光するように配置されていて、制御信号を受信すると複数の音波を発生し、前記第１の入射ビームに作用して、異なる周波数及び直交直線偏光の第１及び第２の出射ビームを発生する複数の変換器を含んでいる異方性音響光学変調器と、
前記第１及び第２の出射ビームに基づいて、基準ビーム及び測定ビームを発生するための干渉計光学素子と、
前記基準ビーム及び測定ビームに基づいて、移動情報を求めるための解析システムと、
を備え、
前記第１の光入射ビームに、第１及び第２のビーム成分が含まれ、前記第１のビーム成分が第１の直線偏光及び第１の周波数を有するとともに、前記第２のビーム成分が第２の直線偏光及び第２の周波数を有し、前記第１及び第２の直線偏光が直交していることを特徴とする、干渉計システム。