JP4729733B2 - レーザー光の波面の測定法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光の波面(位相分布)の測定法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザー光は、各種材料の加工、計測、信号伝達等の技術分野において利用されている。これらの多くの利用分野において、使用されるレーザー光の波面(位相分布)を測定し、波面の測定値を得ることは、レーザー光を制御し利用する上で重要である。レーザー光の波面を測定する従来技術は、次のものを上げることができる。
(1)シャックハルトマンの波面測定法
シャックハルトマン(Shack Hartmann)の波面測定法は、例えば、1996年1月1日の「APPLIED OPTICS」第35巻第1号、第188頁〜第192頁に記載されている。この波面測定法においては、マルチレンズアレイ(多数レンズ列)を用いてレーザービームを多数の微小ビームに分割する。部分的なレーザー波面の傾きは、それぞれの微小レンズによって作られる集光スポットの位置に依存する。従って、部分的なレーザー波面の傾きの積分によって全体の波面を求めることができる。この測定法において波面の測定精度を向上させるためには、小型で長焦点距離の回折限界程度に集光可能な性能を持つマルチレンズアレイが必要であるが、制作が困難であり高価になる短所を有する。
【0003】
(2)シェアリング干渉法
シェアリング(shearing)干渉法は、例えば、マックス・ボルン、エミル・ウォルフ著、草川徹・横田英嗣訳「光学の原理II」第494頁〜第499
頁、東海大学出版会に記載されている。この干渉法においては、ビームスプリッター又はエタロン板を用いて2分割したレーザービームを横ずらし(shear)した後に再び合成する。発生する干渉稿は、横ずらし方向の波面の傾きを表すので、横ずらし方向の波面は、干渉稿の位相を積分することにより求まる。2次元波面を得るには直行する2方向への横ずらしが必要である。
【0004】
(3)TIE法
TIE(transport of intensity equation強度式移送)法は、例えば、T.E.Gureyev, K.A.Nugent, 「Rapid quantitative phase imaging using the transport of intensity equation」 Optics Communications, 1997年1月1日、及び Michael Reed Teague,「Deterministic phase retrieval: a Green’s function solution」 J. Opt.Soc. Am./Vol.73, No.11/November 1983に記載されている。TIE法は、レーザー光の強度の光軸方向の傾きから波面を求める方法である。レーザー光はz方向に伝搬していると仮定して、レーザー光の強度分布をI、位相分布(波面)をφで表すと、それぞれの関係は次式(TIE)で表される。
(2π/λ)(∂I/∂z)=−∇・I∇φ
ただし ∇=(∂/∂x,∂/∂y)
ここで、λは波長である。実際には、レーザー光の強度の光軸方向の傾きは、光軸に沿って間隔を有し且つ光軸に垂直な2平面でのレーザー光の強度分布から近似的に求められる。
∂I(0)/∂z≒[I(δz)−I(0)]/δz
ここで、δzは2つの平面間の距離である。この測定法の問題点は、δzが小さい場合は測定ノイズが大きく影響し、δzが大きい場合は波面のエラーも大きくなることである。従って、適切なδzを選ぶ必要がある。
【0005】
(4)フレネル伝搬法
フレネル(Fresnel)伝搬法は、例えば、Iwao Kodama, et al. 「Image reconstruction from anin−line X−ray hologram with intensity distribution constraint」, Optics Communications 125, 1966, 36−42に記載されている。X線ホログラフィー分野では、物体の像及び位相の再構築のために、天文分野では望遠鏡の鏡の波面歪みを調べるために、フレネル伝搬法が用いられる。(フレネルの伝搬法は、レーザー光の波面の測定法には用いられていない。)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のレーザー光の波面の測定法は、複雑であり、また制限事項が有る等の問題点があった。本発明の目的は、測定方法に必要な装置の簡素化を図り、レーザー光の強度分布の測定からレーザー光の波面を求めることができる測定法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザー光の波面の測定法は、レーザー光の光軸に垂直な且つ光軸に沿って間隔を有する2つの平面でのレーザー光の強度分布を測定する段階、及び前記段階により得られた測定値に基づき所定の計算アルゴリズムに従ってレーザー光の波面を求める段階を含む。
【0008】
前記所定の計算アルゴリズムは、次のステップ(1)〜(5)を含む。ここで、φ0’(x,y)は、x−y平面の初期位相分布であり、φ0(x,y)は、z=0位置でのx−y平面の位相分布であり、φz(x,y)は、z=Z位置でのx−y平面の位相分布である。また、u0(x,y)とuZ(x,y)は、それぞれz=0とz=Zの位置でのx−y平面の(規格化)振幅分布であり、z=0とz=Zの位置で測定されたx−y平面の強度分布をI0(x,y)とIz(x,y)とすると、u0(x,y)とuZ(x,y)は、次式で与えられる。
u0(x,y)=[I0(x,y)/∬I0(x,y)dxdy]1/2
uZ(x,y)=[Iz(x,y)/∬Iz(x,y)dxdy]1/2
【0009】
(1)z=0の位置での位相分布φ0(x,y)を均一な初期位相分布φ0’(x,y)[例えば、φ0’(x,y)=0]として、[φ0(x,y)=φ0’(x,y)]、z=0の位置で測定された振幅分布u0(x,y)と位相分布φ0(x,y)から初期複素振幅分布u0(x,y)exp[iφ0(x,y)]を構成する。
(2)距離+Zの伝搬計算を行い、z=Zの位置での初期複素振幅分布
uZ’(x,y)exp[iφZ(x,y)]を求める。
(3)計算された振幅分布uZ’(x,y)をz=Zの位置で測定された振幅分布uZ(x,y)と入れ替え、計算された位相分布φZ(x,y)は、そのままとして、z=Zの位置での複素振幅分布uZ(x,y)exp[iφZ(x,y)]を構成する。
(4)距離−Zの伝搬計算(距離Zの逆伝搬計算)を行い、z=0の位置での複素振幅分布u0’(x,y)exp[iφ0(x,y)]を求める。
(5)計算された振幅分布u0’(x,y)をz=0の位置で測定された振幅分布u0(x,y)と入れ替え、計算された位相分布φ0(x,y)はそのままとして、z=0の位置での複素振幅分布u0(x,y)exp[iφ0(x,y)]を構成する。
【0010】
上記ステップ(2)〜(5)から成るループを、計算された強度分布
[u0’(x,y)]2と測定された強度分布[u0(x,y)]2のrms(root−mean−square)エラー値が許容値以内になるまで繰り返し、最終的に、z=0の位置での位相分布φ0(x,y)即ち、波面[又は、z=Zの位置での位相分布φZ(x,y)]を求める。
【0011】
前記ステップ(2)又は(4)は、それぞれ、次のフレネル伝搬計算を含むことができる。
[(∂2/∂x2)+(∂2/∂y2)]u+2ik(∂u/∂z)=0
ここで、uは複素振幅分布、iは虚数単位、k(=2π/λ)は波数、λは波長である。所定の計算アルゴリズムが、フレネル伝搬計算アルゴリズムを含むることにより、2つの平面の間隔が任意に選択可能にされ、また、2つの平面以外のレーザー光の波面が推定可能とされる。本発明の測定法においてレーザー光は、広帯域バンド幅を有する極短パルスのレーザー光であることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の測定方法を実施するレーザー光の波面の測定装置30の構成図である。測定装置30は、レーザー光18の光軸に沿って、間隔Zだけ離れた2個所におけるレーザー光の強度分布を測定するために、2組のビームスプリッター42、52及びCCDカメラ43、53を備える。
【0013】
図2は、測定されたレーザー光の強度分布から波面(位相分布)を求める計算アルゴリズムを示すフロー図である。図2において、レーザー光は、z軸方向に沿って伝搬すると仮定し、z軸に垂直な面をx−y平面とする。図2において、u0(x,y)とuZ(x,y)は、それぞれz=0とz=Zの位置でのx−y平面の(規格化)振幅分布であり、z=0とz=Zの位置で測定されたx−y平面の強度分布をI0(x,y)とIz(x,y)とすると、u0(x,y)とuZ(x,y)は、次式で与えられる。
u0(x,y)=[I0(x,y)/∬I0(x,y)dxdy]1/2
uZ(x,y)=[Iz(x,y)/∬Iz(x,y)dxdy]1/2
図2において、φ0’(x,y)は、x−y平面の初期位相分布であり、φ0(x,y)は、z=0位置でのx−y平面の位相分布である。φz(x,y)は、z=Z位置でのx−y平面の位相分布である。
【0014】
図2の計算アルゴリズムは、以下の5ステップから構成される。
(1)z=0の位置での位相分布φ0(x,y)を均一な初期位相分布φ0’(x,y)[例えば、φ0’(x,y)=0]として、[φ0(x,y)=φ0’(x,y)]、z=0の位置で測定された振幅分布u0(x,y)と位相分布φ0(x,y)から初期複素振幅分布u0(x,y)exp[iφ0(x,y)]を構成する。
(2)距離+Zの伝搬計算を行い、z=Zの位置での初期複素振幅分布
uZ’(x,y)exp[iφZ(x,y)]を求める。
(3)計算された振幅分布uZ’(x,y)をz=Zの位置で測定された振幅分布uZ(x,y)と入れ替え、計算された位相分布φZ(x,y)は、そのままとして、z=Zの位置での複素振幅分布uZ(x,y)exp[iφZ(x,y)]を構成する。
(4)距離−Zの伝搬計算(距離Zの逆伝搬計算)を行い、z=0の位置での複素振幅分布u0’(x,y)exp[iφ0(x,y)]を求める。
(5)計算された振幅分布u0’(x,y)をz=0の位置で測定された振幅分布u0(x,y)と入れ替え、計算された位相分布φ0(x,y)はそのままとして、z=0の位置での複素振幅分布u0(x,y)exp[iφ0(x,y)]を構成する。
この(2)〜(5)のステップから成るループは、計算された強度分布
[u0’(x,y)]2と測定された強度分布[u0(x,y)]2のrms(root−mean−square)エラー値が許容値以内になるまで繰り返す。最終的に、z=0の位置での位相分布φ0(x,y)即ち、波面[又は、z=Zの位置での位相分布φZ(x,y)]が求まる。
【0015】
ここで、上記(2)及び(4)において行われる近軸近似の条件下の自由空間中の光伝搬計算(フレネル伝搬計算)は次のように表現される。
[(∂2/∂x2)+(∂2/∂y2)]u+2ik(∂u/∂z)=0
uは複素振幅分布、iは虚数単位、k(=2π/λ)は波数、λは波長である。この式の解は、コンボリューション(たたきこみ)積分法を用いて数値計算することにより得られる。図2のステップ(2)及び(4)において、このフレネル伝搬計算を用いることによって、zの値を比較的任意に選ぶことができ、また、光軸の任意の位置での波面が推定できる。
【0016】
図3は、レーザー光の波面を変形する装置10の構成図である。図3の装置10は、図1のレーザー光の波面の測定装置へ変形された波面を有するレーザー光を供給するために使用される。図3の装置10において、レーザー発生源4から放射されるヘリウムネオン(He−Ne)レーザー光8が、焦点距離+200mmのレンズ15及び焦点距離+600mmのレンズ16を用いるテレスコープでレーザー光のビーム径を約2mmまで拡大された。また、2つのレンズの間隔を変化させることや出射側のレンズを傾けることによってレーザー光の波面が変形された。変形されたレーザー光18は、図1に示すCCDカメラ43、53を用いる装置により、レーザー光軸に沿う2箇所におけるレーザー光18の強度分布が測定され、図2に示すアルゴリズムを用いてレーザー光の波面が求められた。
【0017】
本発明のフレネル伝搬計算アルゴリズムを含む測定法を用いた測定結果を図4(a)−(c)に示す。比較のため従来法であるシェアリング干渉法[測定精度は、λ/10 (peak−to−valley)、λ/50 (rms)以内]を用いた測定結果を図4(d)−(f)に示す。図4は、レーザー光のx−y平面での波面の凹凸形状を白黒の濃淡で示したものである。本発明の波面の測定法の測定精度は、従来法との比較により、peak−to−valley値でλ/10以内、rms値でλ/50以内であることが分かった。
【0018】
【発明の効果】
本発明は、次の作用効果を奏する。
(1)レーザー光の強度分布の測定のみから波面を得ることができる。これにより、装置構成が簡便となり、小型化が可能となる。
(2)所定の計算アルゴリズムが、フレネル伝搬計算を含むことにより、測定される2つの平面の間隔を比較的任意に選べる。
(3)所定の計算アルゴリズムが、フレネル伝搬計算を含むことにより、光軸の任意の位置での波面の推定が可能である。
(4)広帯域のバンド幅を有する極短パルスのレーザー光を含むあらゆるレーザー光に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】レーザー波面測定装置の構成図。
【図2】強度分布から波面を求める計算アルゴリズムのフロー図。
【図3】レーザー光の波面を変形する装置の構成図。
【図4】図4は、レーザー波面の測定の実施例及び比較例を示す図であり、図4(a)、(b)、(c)は、本発明による測定結果であり、図4(d)、(e)、(f)は、従来のシェアリング干渉法を用いた測定結果である。
【符号の説明】
4:レーザー発生源、8、18:レーザー光、10:波面を変形する装置、15、16:レンズ、30:測定装置、42、52:ビームスプリッター、43、53:CCDカメラ。
Claims (3)
- レーザー光の波面の測定法であって、
レーザー光の光軸(z)に垂直な且つ光軸に沿って間隔を有するz=0の位置及びz=Zの位置における2つの平面でのレーザー光の強度分布を測定する段階、及び前記段階により得られたz=0の位置で測定されたx−y平面のレーザー光の強度分布I0(x,y)とz=Zの位置で測定されたx−y平面のレーザー光の強度分布Iz(x,y)に基づき所定の計算アルゴリズムに従ってレーザー光の波面φ(x,y)を求める段階を含むものであり、
前記所定の計算アルゴリズムは、次のステップ(1)〜(5)を含み:
ここで、φ0’(x,y)は、x−y平面の初期位相分布であり、φ0(x,y)は、z=0位置でのx−y平面の位相分布であり、φz(x,y)は、z=Z位置でのx−y平面の位相分布である:
また、u0(x,y)とuZ(x,y)は、それぞれz=0とz=Zの位置でのx−y平面の振幅分布であり、z=0とz=Zの位置で測定されたx−y平面の強度分布をI0(x,y)とIz(x,y)とすると、u0(x,y)とuZ(x,y)は、次式で与えられる:
u0(x,y)=[I0(x,y)/∬I0(x,y)dxdy]1/2
uz(x,y)=[Iz(x,y)/∬Iz(x,y)dxdy]1/2
(1)z=0の位置での位相分布φ0(x,y)を均一な初期位相分布φ0’(x,y)として、[φ0(x,y)=φ0’(x,y)]、z=0の位置で測定された振幅分布u0(x,y)と位相分布φ0(x,y)から初期複素振幅分布
u0(x,y)exp[iφ0(x,y)]を構成する:
(2)距離+Zの伝搬計算を行い、z=Zの位置での初期複素振幅分布
uZ’(x,y)exp[iφZ(x,y)]を求める:
(3)計算された振幅分布uZ’(x,y)をz=Zの位置で測定された振幅分布uZ(x,y)と入れ替え、計算された位相分布φZ(x,y)は、そのままとして、z=Zの位置での複素振幅分布uZ(x,y)exp[iφZ(x,y)]を構成する:
(4)距離−Zの伝搬計算(距離Zの逆伝搬計算)を行い、z=0の位置での複素振幅分布u0’(x,y)exp[iφ0(x,y)]を求める:
(5)計算された振幅分布u0’(x,y)をz=0の位置で測定された振幅分布u0(x,y)と入れ替え、計算された位相分布φ0(x,y)はそのままとして、z=0の位置での複素振幅分布u0(x,y)exp[iφ0(x,y)]を構成する:
更に、上記ステップ(2)〜(5)から成るループを、計算された強度分布
[u0’(x,y)]2と測定された強度分布
[u0(x,y)]2のrms(root−mean−square)エラー値が許容値以内になるまで繰り返し、
最終的に、z=0の位置での位相分布φ0(x,y)即ち、波面[又は、z=Zの位置での位相分布φZ(x,y)]を求める測定法。 - 請求項1の測定法であって、前記ステップ(2)又は(4)は、次のフレネル伝搬計算を含む測定法:
[(∂2/∂x2)+(∂2/∂y2)]u+2ik(∂u/∂z)=0
ここで、uは複素振幅分布、iは虚数単位、k(=2π/λ)は波数、λは波長である。 - 前記レーザー光は、ヘリウムネオンレーザー光である請求項1又は2の測定法。
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