JP5244611B2 - レーザビームのプロファイルを形成するための光学系および方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００５年１２月２３日に出願された米国特許仮出願第６０／７５３，８２９号の優先権を主張している。

本発明は、概して光ビーム、特にレーザ光ビーム整形の分野に関する。より具体的には、本発明は、光学系、光学ユニットおよび入射ビーム、特に入射レーザビームの整形法に関する。このような光学系、光学ユニット、および上述のような方法は、材料加工、例えば非晶質シリコン薄膜の配向結晶化に用いられる薄型レーザビームを形成するために特に有用である。さらに、本発明による光学系、光学ユニットおよび方法は、例えば固体リングレーザに用いることもできる。

通常のレーザは、巨視的な尺度では、横断面で見た場合に鮮鋭なエッジを有する正確に平行にみえる光ビームを生成する。しかしながら、微視的な尺度では、レーザビームには固有発散度がある。すなわち、ビームは光線の束であると考えられ、これらの光線は、互いにわずかに異なった伝搬方向を有している。このように、レーザビーム強度の角度分布のプロファイルは、レーザビームの主伝搬方向（角度０°）に最大値を有し、この最大値の両側に傾斜（角度≠０°）を有する。レーザビームの自然な発散度または角度広がりにより、レーザビームのエッジは、必ずしも鮮鋭ではなく、幾分不鮮明になっている。

多くの光学的用途、例えば半導体のアニーリングなどのレーザ用途のためには、ビームの発散度が極めて低いことが必要とされる。

通常は、視野絞りが、光学系の視野を制限するために用いられる（例えば、Handbook of Optics, OSA, Eds. W.G. Driscoll and W. Vaughan, McGraw Hill, 1978, p. 2-52, W.J. Smith, Modern Optical Engineering, 3rd Ed., McGraw Hill, 2000, Ch. 6, p. 141-143 参照）。このアプローチは、空間フィルタ処理に基づいている。すなわち、ダイアフラムまたはスリットが、光学系が結像しようとする対象の大きさを減じる。

特に、米国特許第５，７２１，４１６号明細書が、高出力レーザビームから照射面に鮮鋭な照射線を生成するための光学装置を開示している。この公知の装置は、空間フィルタ処理に基づいている。この鮮鋭な照射線は、長軸および短軸を含む。この光学装置は、結像および均一化光学系のアナモルフィックな設定を備え、これにより、レーザビームの結像および均一化が長軸および短軸方向に独立して行われる。短軸方向にレーザビームを結像および均一化するためにはスリットが均一に照射され、スリットが縮小光学系により照射面に結像される。このように、この公知の光学系もレーザビーム形成のためにスリットを用いる。

このような視野絞りを用いる光学系はかなり良好に機能するにもかかわらず、スリットまたは視野絞りの使用は、幾つかの欠点を有する。欠点の１つは、このようなシステムが、高エネルギー密度のビームを必要とする用途で用いられる場合に生じる。ビームの高エネルギー密度により、視野絞りの本体は、著しく高温に加熱され、視野絞りまたはスリットに歪みをもたらす。その結果、ビーム整形が不正確になる。さらに、光ビームの極めて鮮鋭なエッジを形成するためには、視野絞りまたはスリットは、入射ビームを所望のように整形することができるように、高精度に機械加工された鮮鋭なエッジを備えているように製造される必要がある。

米国特許第４，０６０，３０８号明細書が、光ファイバ内への、および／または光ファイバからの光学エネルギーを結合するための角度選択カプラーを開示している。このカプラーは、光伝送の複数の高次モードを光励起させるように変更された光ファイバの部分からなっており、それぞれのモードは、ファイバ軸に対して所定の伝搬角度により規定されている。一実施形態では、結合部分は、単一ストランドのガラスファイバ導波路を備えており、この導波路は、長さ方向に沿ってテーパされている。テーパ部分の存在は、外部光源からの光線を所定の伝搬角度でファイバ内に結合することを可能にする。この文献は、鮮鋭なエッジを有するレーザを形成するための技術課題には取り組んでいない。

公知の光学系および方法の上記欠点により、空間フィルタ処理に頼らずに入射ビームを整形するための光学系および方法に対する需要が依然としてある。

米国特許第５，７２１，４１６号明細書 米国特許第４，０６０，３０８号明細書 Handbook of Optics, OSA, Eds. W.G. Driscoll and W. Vaughan, McGraw Hill, 1978, p. 2-52, W.J. Smith, Modern Optical Engineering, 3rd Ed., McGraw Hill, 2000, Ch. 6, p. 141-143）

発明の概要
そこで本発明の課題は、角度分布を備えた発散度を有する入射ビームを整形するための光学系において、光学系が用いる物理的効果が、従来技術のものとは異なっているものを提供することである。

さらに本発明の課題は、角度分布を備えた発散度を有する入射ビームを整形するための光学系において、高出力および／または高エネルギー密度を備えた入射ビームを整形することのできるものを提供することである。

本発明の別の課題は、発散度を有する入射ビームを整形するための光学系において、従来技術による解決策に比べて熱衝撃が著しく低減されているものを提供することである。

本発明のさらなる課題は、照射線の、鮮鋭なエッジを有する面の幅と長さを減じることができる光学系を提供することである。

本発明のさらなる課題は、光学系において、面上に幅と長さを備える照射線を生成することができ、長さが幅の数百倍の高いアスペクト比を有し、鮮鋭なエッジを有しているものを提供することである。

本発明のさらなる課題は、材料加工、特に基材をアニールするためのレーザアニーリング装置において使用するための薄型レーザビームを整形する光学系を提供することである。

本発明のさらなる課題は、材料加工、特に基材をアニールするためのレーザアニーリングおよび走査装置に用いるための光学系において、レーザビームが、基材の表面に関して走査されるものを提供することである。

さらに本発明の課題は、角度分布を備えた発散度を有する入射ビームを整形するための光学系において、使用される物理的効果が、従来技術のものとは異なっているものを提供することである。

さらに本発明の課題は、角度分布を備えた発散度を有し、高出力および／または高エネルギー密度を有する入射ビームを整形する方法を提供することである。

本発明の別の課題は、発散度を有する入射ビームを整形する方法において、従来技術による解決策に比べて熱衝撃が著しく低減される方法を提供することである。

本発明のさらなる課題は、面に幅と長さを備える照射線を生成することができ、この照射線が鮮鋭なエッジを有することができる方法を提供することである。

本発明のさらなる課題は、面に幅と長さを備える照射線を形成することができる方法において、照射線が、長さが幅より数百倍大きい高いアスペクト比を有し、照射線が鮮鋭なエッジを有する照射線の形成法を提供することである。

本発明の一実施態様によれば、入射ビームを整形するための光学系において、入射ビームは、少なくとも第１方向に角度分布を備える発散度を有し、この場合に、光学系は、少なくとも第１方向の角度分布を除去するための少なくとも１つの角度選択光学素子を有している。

本発明の別の実施態様によれば、入射ビームの強度プロファイルを整形し、射出ビームの強度プロファイルを形成するビーム整形光学ユニットが提供され、この場合に、入射ビームは、少なくとも第１次元方向における入射ビームの発散に基づく第１の強度勾配を少なくとも１つの側に有し、ビーム整形光学ユニットは、射出ビームが第２の強度勾配を少なくとも１つの側に有するように射出ビームを形成し、この場合に第２の勾配は第１の勾配よりも大きく、ビーム整形光学ユニットが少なくとも１つの内部全反射により射出ビームの強度プロファイルを形成する。

本発明のさらに別の実施態様によれば、第１方向に角度分布を備えた発散度を有する入射ビームを整形する方法が提供され、この方法は、第１方向の角度分布を除去するステップを含む。

本発明によるアプローチは、例えば、視野絞りまたはスリットの形の空間選択式装置とは対照的に、入射ビームの発散度を減じるための角度選択式装置を用いることに基づいている。本発明による方法は、物理的な鮮鋭なエッジが高エネルギー密度で露出される必要がないという利点を有する。このようにして、高出力レーザビームに抵抗する光学素子に対する要求が著しく減じられる。

好ましい実施形態では、本発明のシステムおよび方法は、内部全反射（ＴＩＲ）の角度選択特性に基づいている。すなわち、ビームは、高屈折率を備える材料内を、より低い屈折率を有する材料とのインターフェースに伝搬し、入射角が内部全反射角度と呼ばれる所定の臨界角度を超過した場合にこのインターフェースで反射される。ビームの主伝搬方向に対して≠０°の角度で伝搬するビームの光線は、少なくとも部分的にこのようなインターフェースを介して透過され、これにより、除去されるか、または換言すれば、カットオフされる。

台形または長方形の横断面を有するビームを生成することが意図される場合には、本発明は、例えば所定の一方向に発散度を減じることを可能にし（例えば、米国特許第５，７２１，４１６号明細書により知られているような、例えば視野絞りにより形成されるスリットの代替）、例えば、直交方向の発散度には影響しない。２つの（例えば直交する）次元方向のためにこのような２つの装置を組み合わせることで、ビームの両方の（すなわち、直交する）横断面次元のために発散度を独立して調整することを可能にする。

さらなる特徴および利点が、以下の説明および添付の図面により明らかになる。

例示的な実施形態を図面に示し、これらの図面を参照してより詳細に説明する。

図１は、入射ビーム１２を整形するための光学系または光学ユニット１０を概略的に示している。図１の実施形態に関して説明する本発明の原理は、本明細書に記載する他の全ての実施形態についても有効である。

入射ビーム１２は、矢印１４の方向に伝播する。ビーム１２は、入射ビーム１２の主伝播方向（矢印１４）に対して平行に延びる２本の線１６および１８、ならびに、伝播方向（矢印１４）に対して平行ではなく、この伝播方向に対してわずかに発散している、２つの限界線２０および２２によって示されている。このように、入射ビーム１２は、図１の図平面内に位置する第１方向ｘに発散度を有している。この発散度により、入射ビーム１２は、グラフ２４によって示されるような角度強度分布を示しており、この場合、強度Iは、伝播方向（矢印１４）をゼロとする角度αに対してプロットされている。グラフ２４が示すように、最大強度は角度α＝０の場合であり、強度は角度α≠０に対しては傾斜を有している、すなわち、有限の勾配を有している。その結果、入射ビーム１２は、方向ｘには鮮鋭なエッジを有しておらず、エッジは幾分不鮮明になっている(smear out)。

線２０は、第１方向ｘについて、入射ビーム１２の一方側のエッジを形成しており、線２２は、入射ビーム１２の反対側で対向するエッジを形成している。方向ｘは、例えば、入射ビーム１２の幅方向であってよい。

平行する線１６および１８が第１方向すなわちｘ次元方向においてビーム１２の２つの鮮鋭なエッジを形成するように、入射ビーム１２が整形されていることが望ましい。入射ビーム１２をこのように整形するために、光学系すなわちユニット１０が設けられている。

光学システム１０は、少なくとも１つの角度選択光学素子を備え、この実施形態では２つの角度選択光学素子２６および２８が示されている。これらの角度選択光学素子２６および２８は、角度選択的に反射する素子、特にプリズム３０および３２である。プリズム３０は、３つの面３４，３６および３８を備え、一方では面３４と面３６とが、かつ他方では面３４と３８とが、４５°の角度で交差する。このように、プリズム３０は直角プリズムであり、面３６および３８は、直角を挟む面を形成し、面３４は斜面を形成している。

プリズム３０および／またはプリズム３２は、他の任意の適宜な光学素子、例えば、ロッド状、プレート状、直平行六面体状、多角状に形成された光学素子、台形、平行四辺形の光学素子などによって置き換えられてもよい。

面３６はプリズム３０の入射面であり、面３８は射出面を形成している。

同様に、プリズム３２は、３つの面４０，４２および４４を有しており、一方では面４０と面４２が、かつ他方では面４２と面４４とが、４５°の角度で交差する。プリズム３２の面４０は入射面を形成し、面４４はプリズム３２の射出面を形成している。

プリズム３０および３２は、例えば、１よりも大きい屈折率を有する媒体から形成されている。プリズム３０および３２は、ビーム１２の波長に対して透過性の任意の適宜な材料、特にシリカ、フッ化カルシウムなどから形成されていてよい。

特に、プリズム３０および３２の面３４および４２は、周辺環境４６に対するインターフェースを形成している。周辺環境４６は、例えば空気であり、空気は、プリズム３０および３２の媒体の屈折率よりも低い屈折率を有する。

好ましくは事前にコリメートされた入射ビーム１２は、まず入射面３６を介して、ビーム偏向を回避するために好ましくは直角にプリズム３０に入射する。プリズム３０は、入射ビーム１２が、面３４の内部全反射（ＴＩＲ）の角度に近い入射角で面３４に入射しているように位置決めされ、設計される。ＴＩＲ角度よりも大きい角度で面３４に入射している入射ビーム１２の光線は、入射ビーム１２の線１６，１８および２２によって示されている光線の場合のように、面３４で反射される。反射されたビームは、１６ａ，１８ａおよび２２ａで示されている。

ＴＩＲ角度よりも小さい角度で表面３４に入射している入射ビーム１２の光線は、面３４を介して（少なくとも部分的に）透過される。これは、入射ビーム１２の線２０によって示される光線の場合である。すなわち、入射ビーム１２の一方側では発散する光線は、第１のプリズム３０によって除去されるか、またはカットオフされる。透過された光線は符号２０ａで示されている。

発散線２２によって示された入射ビーム１２の光線も同様にＴＩＲ角度よりも大きい角度で面３４に入射しており、これにより、面３４で反射されることに留意されたい。このように、プリズム３０は入射ビーム１２の角度分布を方向ｘにすなわちｘ次元方向で見て一方側（線２０）でのみ除去し、他方側（線２２）は、プリズム３０によってカットオフされない。

第２のプリズム３２は、第１方向すなわちｘ次元方向の角度分布の他方側を整形する効果を有する。図１に見ることができるように、面３４で反射された後には、線２２，２２ａに従った光線は、面４２のＴＩＲ角度よりも小さい角度でプリズム３２の面４２に入射し、これにより、面４２を介して（少なくとも部分的に）透過される（線２２ｂによって示す）。このようにして、入射ビーム１２の他方のエッジの発散部分は、プリズム３２によってカットオフされる。これにより、射出ビーム４８が生じ、角度分布は、第１方向すなわちｘ次元方向の両方の側でカットオフされる。グラフ５０は、射出ビーム４８の角度強度分布を示している。角度分布の勾配は、入射ビーム１２の角度分布の勾配より大きいことがわかる。

面３４および／または面４２は、平坦な形状を有していてよいが、球面、円柱、非球面、またはその他の形状を有していてもよいことを理解されたい。

面３４および面４２への入射ビーム２０の入射角は、両矢印５６および５８に従ってプリズム３０および３２を回転制御するためのアクチュエータ５２および５４によって調節することができる。プリズム３０および３２の回転角度の制御は、ビーム１２の角度分布またはスペクトルがプリズム３０および３２によってどの程度カットオフされるかを決定するために用いることができる。両方のプリズム３０および３２の回転角度は、任意の望ましい値まで入射ビーム１２の発散度を減じることを可能にする。さらにより小さい発散度を有する射出ビーム４８の発散プロファイルを示す、グラフ５０の破線６０による角度強度分布は、表面３４および４２における入射角が幾分大きくなるように両方のプリズム３０および３２が回転された場合に得られる。

透過された、すなわち、除去された部分（線２０ａ；２２ｂ）は、アクチュエータ５２および５４のフィードバック制御のために検出器５５，５６によって捕捉することができ、これにより、プリズム３０および／またはプリズム３２の回転位置が調節されるか、または、望ましいビーム形状が得られ、この場合にビーム形状の制御は、所望であればビーム１２の両方の側に対して互いに独立して行うことができる。

このような回転制御は、以下に示す好ましい実施形態のいずれにも同じように適用することができ、ＴＩＲ面３４および４２の入射角を制御するほかの方法があることが当業者には明らかであり、（例えば、ビームをプリズム３０および３２内に反射するミラーの配向を変更するなど）、これらの方法は、本明細書に記載のいずれの実施形態とも組み合わせることができる。

さらに、好ましくはそれぞれのビーム位置に対して直交しているプリズム３０および３２の入射面３６および４０ならびに射出面３８および４４は、システム１０内の光学的損失を減じるための反射防止（ＡＲ）膜により被覆されてもよい。

角度分布の勾配を増大させるためには、ＴＩＲを利用した角度フィルタを、適宜に高い反射性の（ＨＲ）膜により面３４および４２を被覆することにより強化することもできる。

図１は、第１方向すなわちｘ次元方向の角度分布の除去またはカットオフに関して示しているが、図２は、第１方向すなわちｘ次元方向に直交する第２方向すなわちｙ次元方向の角度分布を備えた発散度を有する入射ビーム１２を整形するための光学系１０´を示している。第２の次元方向ｙは、次元方向ｘの入射ビーム１２の幅よりも百倍大きくてもよい入射ビーム１２の長さを規定している。例えば、入射ビーム１２は、約１５μｍよりも小さい、方向ｘの延びを有し、入射ビーム１２は、少なくとも約３００ｍｍの、第２方向の延びを有していてよい。

光学系１０´は、再び２つのプリズム３０´および３２´を備えており、これらの２つのプリズムは、ＴＩＲ面３４´および４２´がプリズム３０および３２のＴＩＲ面３４に対して直交しているように配置されている。プリズム３０´および３２´の除去またはカットオフ効果は、プリズム３０および３２の除去またはカットオフ効果と同じ原理に基づいているので、上記を参照されたい。

光学系１０´は、光学系１０と直列に配置されていてもよく、これにより、射出ビーム４８は、光学系１０´に対しては入射ビーム１２を形成する。

グラフ２４´は、第２方向すなわちｙ次元方向の入射ビーム１２の角度強度分布を示しており、グラフ５０´は、方向ｙに両側でビーム４８´の鮮鋭なエッジを示す射出ビーム４８´の角度強度分布を示している。

光学系１０および光学系１０´を通過した後には、ビーム１２は、両方向すなわちｘ方向およびｙ方向で、いずれの場合も両方の側を整形されている。

図３は、面３４および４２または面３４´および４２´のようなＴＩＲ面のＨＲ膜の効果を示している。図３は、反射率（％で表す）が、ＨＲ膜を被覆された溶融シリカインターフェースへの入射角（角度で表す）に対してプロットされている。反射率は、約４２．６２２４°のＴＩＲの臨界角度からは１００％であり、約０．０００５°の範囲で３０％まで低下する。このように、適宜なＨＲ膜は、ＴＩＲの角度フィルタ効果を高める。

図４は、入射ビーム６２の強度プロファイルの形成に用いられる光学系６０の別の実施形態を示しており、この実施形態は、図１および図２の実施形態のような角度フィルタと同じ原理に基づいている。光学系６０と光学系１０および１０´との相違は、射出ビーム６４の伝播方向が、入射ビーム６２の伝播方向に対して平行していることである。
このことは、直角をなす２つのプリズム６６および６８が入射ビーム６２に対して次のように配置されることにより達成される。すなわち、プリズム６６の斜面７０が入射面を形成し、第１の面７２がプリズム６６のＴＩＲ面を形成し、これにより、入射ビーム６２の一方側で角度強度分布が除去され、かつ斜面７４が第２のプリズム６８の入射面を形成し、第１の面７６がプリズム６８のＴＩＲ面を形成するように配置される。プリズム６６および６８の斜面７０および７４は、プリズム６６および６８のそれぞれの入射面を形成しているだけではなく、プリズム６６および６８のそれぞれの射出面をも形成しており、これにより、入射ビーム６２の伝播方向に対して平行な伝播方向を有する射出ビーム６４が生じる。

グラフ７８は、入射ビーム６２の角度強度分布を示しており、グラフ８０は、射出ビーム６４の角度強度分布を示している。射出ビーム６４は、１次元、すなわち、図４の図平面で両側に鮮鋭なエッジを示している。

図５は、入射ビーム９２を整形する光学系９０の別の実施形態を示している。この光学系９２も、角度選択光学素子、特に角度選択反射素子９４を用いて、ＴＩＲを利用して入射ビーム９２の角度分布９６を除去する。光学素子９４は、周辺媒体１００、例えば空気の屈折率よりも高い屈折率を有する光学媒体を備える極めて平坦な平行したプレートまたはロッド９８である。光学素子９８の媒体は、この場合にも入射ビーム９２の波長に対して透過性の任意の適宜な材料を備えていてよい。

光学素子９８は、２つのＴＩＲ面１０２および１０４を有しており、これらのＴＩＲ面は、ＨＲ膜により被覆されていてもよい。光学素子９８は、一方側、すなわち、線１０６により示された側で入射ビーム９２の角度分布９６を除去し、角度分布は、線１０８により示された他方側では除去されない。入射ビーム９２が面１０２または面１０４に入射する度に、ＴＩＲの臨界角度よりも小さい角度で面１０４および１０２に入射しいているように発散度を有する、入射ビーム９２の光線は、面１０２および１０４を介して少なくとも部分的に透過され、ビームダンプ、例えば水冷されたビームダンプ１０１によって吸収されることができる。射出ビーム１１２は、光学素子９８の射出面１１０から放出され、射出ビーム１１２の一方側に鮮鋭なエッジを示す角度強度分布１１４を有している。

この実施形態は、ビーム９２を整形するために多重ＴＩＲ（ここでは４つの折れ目を備えるＴＩＲ）を使用する。

図６は、光学系９０に変更を加え、光学系９０´の形態で示したものである。光学エレメント９８に加えて、別の光学素子１１８を備えている。この光学素子１１８は、光学素子９８と直列に配置された面平行のプレートとして形成され、かつ光学素子９８に対して９０°だけ回転されている。光学素子９８は、入射ビーム９２の一方側で角度分布９６を除去し、光学素子１１８は、他方側、すなわち、ビーム９２、より正確には射出ビーム１１２の反対側で角度分布を除去し、これにより、図６に示すような強度分布１２０が生成され、この場合に、最終的な射出ビーム１１２´は両側に鮮鋭なエッジを有している。

図５および図６に示した光学素子９８および／または光学素子１１８には、図１および図２に示した実施形態に類似した回転制御部が設けられていてもよく、これにより、射出ビーム１１２および／または１１２´の輪郭形状が調節されることを理解されたい。

さらに、光学素子１１８の面１０２，１０４ならびに対応ＴＩＲ面は、ＨＲ膜によって被覆されていてもよく、光学素子９８の入射面１０９および射出面１１０ならびに光学素子１１８の対応する入射面および射出面は、ＨＲ膜により被覆されてもよい。

図７は、少なくとも第１方向の角度分布を備える発散度を有する入射ビーム１３２の形成に用いられる光学システム１３０の別の実施形態を示している。グラフ１３４は、入射ビーム１３２の角度強度分布を示している。

光学系１３０は、角度選択式の４つの光学素子、特に角度選択反射素子、この場合には、４つの直角プリズム１３６，１３８，１４０，１４２を備えている。

プリズム１３６および１３８は、図１の光学系１０のプリズム３０および３２と同様に配置されている。プリズム１３６および１３８の斜面は、ＴＩＲ面として配置されている。

入射ビーム１３２の伝播方向に見て、プリズム１４０はプリズム１３８の後方に配置されており、プリズム１４０にはプリズム１４２が続き、プリズム１４２から、ビーム１３２は再びプリズム１３６内に向けられている。

入射ビーム１３２は、まず面１４４の縁領域でプリズム１３６の入射面１４４に入射する。プリズム１３６のＴＩＲ面１４６から出発して、ビーム１３２は、図７に示した矢印に従って、４つのプリズム１３６〜１４２を介した経路をたどる。図７に示したように、射出ビーム１４８が、入射ビーム１３２の伝播方向に対して平行な方向にプリズム１４２から出射されるまで、ビーム１３２はそれぞれのプリズムを３回通過する。射出ビーム１４８を光学系１３０から取り出すためには、射出ビーム１４８が両方のプリズム１３６および１３８の間を通過するのに十分な距離だけ、プリズム１３６とプリズム１３８とが互いに離間される。

光学系１３０は、多数のＴＩＲを使用して、１方向すなわちｘ次元方向の角度分布を除去またはカットオフする効果を高める。特に、光学系１３０は、グラフ１５４により示されるように、両方の側１５０および１５２で上記方向すなわちｘ次元方向の角度分布を除去またはカットオフする。

プリズム１３６〜１４２のＴＩＲ面はＨＲ膜により被覆されていてもよく、プリズム１３６〜１４２の入射面および射出面は反射防止膜により被覆されていてもよく、これにより、光学系１３０において損失が阻止されることを理解されたい。

図８は、光学系１３０に対してわずかに変更された光学系１３０´を示している。この光学系１３０´では、２つのプリズム１４０および１４２が１つの逆反射プリズム１５６によって置き換えられており、これにより、入射面および射出面の数が減じられ、ひいては光学系１３０´において損失が減じられる。

図９は、光学系１３０´´の別の実施形態を示している。この実施形態は、図７または図８の光学系１３０または１３０´のさらなる改良形である。光学系１３０´´の場合には、光学系１３０の２つのプリズム１４０および１４２または光学系１３０´の逆反射プリズム１５６が、２つのミラー１５８，１６０によって置き換えられている。 ミラー１５８および１６０は、ミラー１５８および１６０による角度フィルタがないのでビーム整形自体には貢献しないことに留意されたい。ミラー１５８および１６０は、折り返しミラーとしてのみ働く。

図１０は、入射ビーム１９２の形成に用いられる光学系またはユニット１９０の別の実施形態を示している。

光学系１９０は、ビーム１９２の１方向、例えば、ｘ方向またはｙ方向に入射ビーム１９２の角度分布１９４を角度フィルタ処理するためにＴＩＲを再び使用する。

光学系１９０は第１の光学素子１９６を備え、この光学素子は、２つの平行したＴＩＲ面１９８および２００を有しており、これらのＴＩＲ面は、射出ビーム２０４の角度分布を示すグラフ２０２によって示されるように、一方側で入射ビーム１９２の角度分布１９４を除去する。

光学素子１９６は、互いに平行なさらなる２つの面２０６および２０８を有する長方形のプレートとして形成されており、これにより、光学素子１９６を通過するビーム１９２が折り曲げられる。光学素子１９６内のビーム１９２のビーム経路が、小さい矢印により図示されている。射出ビーム２０４は、光学素子１９６の射出面２１０を介して出射される。光学素子１９６は、一方側でのみ入射ビーム１９２の角度分布を除去するのに効果的である。反対側でも角度分布を除去するために、第２の光学素子２１２が設けられている。この光学素子２１２は、ビーム１９２の反対側で角度分布が除去されるように２つのＴＩＲ面２１４および２１６を有している。光学素子２１２は、光学素子１９６と直列に配置されており、射出ビーム２０４は、光学素子２１２に関しては入射ビームである。

最後の射出ビーム２１８は、グラフ２２０により示されるような角度分布を示す。光学素子２１２は、光学素子１９６と同一に設計されていてもよく、この場合、光学素子２１２は、図平面で見て光学素子１９６に関して９０°の角度だけ回転されている。

図１１は、光学系２３０の別の実施形態を示している。この実施形態は、光学系１９０の複数の光学素子１９６および２１４を使用し、入射ビーム１９２と比較して射出ビームの角度分布の勾配をさらに高める。入射ビーム１９２は、光学素子１９６，２１２，２３２，２３４を通過し、後段の光学素子から射出ビーム２３６として射出する。

図１０によれば、ビーム１９２は、それぞれの光学素子１９６〜２３４を数回通過し、これにより、多数のＴＩＲによる射出ビーム２３６の強度分布の勾配を高める。さらに光学系２３０は、射出ビーム２３６が入射ビーム１９２と同じ方向に、しかも方向のずれなしに伝搬することを可能にする。

図１２は、図１１の光学系２３０を使用するが、光学素子１９６，２１２，２３２および２３４の間に配置された能動媒体２３８を有する光学系２３０´を示している。このように、光学系２３０´は、一方向に発散度が減じられたレーザビームを生成するリングレーザとして使用することもできる。部分反射器２４０を出力カプラーとして使用することもできる。三次元の構成を利用して、両方の直交方向（ｘおよびｙ）の発散度を減少させることもできる。

上記実施形態はそれぞれ、ビームの両方向（ｘおよびｙ）に入射ビーム、特に任意の長方形断面を有する入射ビームの発散度が減じられるように、直交する平面の形に互いに組み合わせることができることを理解されたい。

既に述べたように、上記の全ての実施形態は、角度分布の傾斜度を高めるためのＨＲ膜、および、光学系において光学損失を減じるためのＡＲ膜を備えていてもよい。

さらに、図１（検出器５５，５６、アクチュエータ５２，５４）に関して既に記載したように、上記実施形態のそれぞれは、能動的な安定化技術を備えていてもよく、これにより、上記のようなプリズムまたはプレートのようなＴＩＲ活性の光学素子の角度分布が自動的に調節される。例えば、ＴＩＲ面で透過された入射ビームの一部が、フォトダイオードまたは１次元または２次元フォトダイオードアレイまたはＣＣＤカメラなどの感光性の装置（例えば、検出器５５，５６）によって受信されてもよい。この装置からの情報は、角度分布の傾斜を調節するために圧電またはステッピングモータのような幾つかの能動的な機械素子、例えば、図１のアクチュエータ５２および５４のためのフィードバック信号として用いることができる。

上記光学系は、好ましくはアニール装置または別の材料加工装置および技術、例えば、無結晶シリコン薄膜の配向結晶化のために用いられ、この場合には、本発明の原理に従って整形された照射線が、加工される基材上で走査される。

次に分散および直交発散作用の補正するための手段を図１３〜図１６に関して説明する。

整形されるビームが単色ではない場合には、光学素子（例えば図１の光学系１０のプリズム３０および３２）のバルク材料および膜が設けられている場合には膜内の分散を考慮する必要がある。

図１３は、被覆されたＴＩＲインターフェース（例えば、図１のＴＩＲ面３４）の典型的な分散を示している。

反射率の角度依存性は、異なった波長に対して本質的に同じであるが、光学材料の分散により反射カーブは、わずかに異なる角度にずらされる。

内部全反射のための臨界角度α_TIRは、
ｓｉｎα_TIR（λ）＝１／ｎ（λ）により求められ、
ｎ（λ）は、それぞれの波長における屈折率であり、臨界角度（および反射率カーブ）は、図１３にみることができるように、概してより短い波長ではより小さい角度にずれる。

補正手段が提供されていない場合には、非単色光照射のための上記実施形態に記載のように、この分散効果は発散度減衰素子（例えば、図１のプリズム３０および３２）の角度分解能を著しく制限する。しかしながら、ビームが実際の発散度減衰素子、例えばプリズム３０および３２、または図５のロッドまたはプレート９８を通過する前後に分散プリズムを用いることにより、補正をすることが可能である。補正プリズム（および実際の発散度減衰素子の入射面）に対する入射角は、異なる波長を有するビームが最後の補正プリズムの後に再び同じ方向に沿って進むが、しかし、それぞれの波長のためにそれぞれのＴＩＲ角度でＴＩＲ面に入射するように選択される必要がある。

分散補正を行うための入射角の組み合わせには広範な選択がある。しかしながら、発散度減衰素子の入射面における屈折の分散作用は、上記課題を達成するためには、決して十分ではないことに留意すべきである。その理由は、このような分散効果は、より大きい入射角の場合により強く、ＴＩＲのための臨界角度よりも小さい角度の単一屈折の場合には、単一屈折の分散効果は不十分なことである。それゆえ、発散度減衰素子のための分散素子が必要である。同様に、発散度減衰素子の射出面における屈折は、補償のためには十分な分散を生じないので別の分散素子が必要である。

角度スペクトルの両側で発散度を減じる２つの素子２４６，２４８のためには、図１４に示されているように、全部で４つの補正プリズム１５０，１５２，１５４，１５６を用いることができる。

分散効果の補正には、プリズム以外の分散素子、例えば反射または透過格子などを使用することもできる。

多色光照射のための分散効果の補正については既に説明した。このような補正が必要なのは、内部全反射のための臨界角度が放射線の屈折率ひいては波長に依存しているからである。

しかし、厳密に単色光照射の場合にも、上記の発散度減衰は、入射ビームの角度スペクトルが入射面に対して垂直な方向に極めて狭幅である場合にのみ良く機能する。さもなければ、ＴＩＲインターフェース面の傾斜角βと直交方向のポインティング角γとが、角度βよりも大きいＴＩＲインターフェース面の入射角αを共に決定する（図１５参照）。角度は、
sin^２α＝sin^２γ+sin^２βcos^２γにより関連づけられる。

前記の角度は、図１５に示されており、長方形は、ＴＩＲ面を示している。

すなわち、入射角αは、直交角度γに依存しており、それぞれの直交角度が所定の直交発散範囲をカバーするためには異なる傾斜角βが必要となる。この状況は、多色光照射の場合の分散効果に類似しており、したがって、分散効果に関する同じ補正機構を直交発散作用の補正に用いることができる。このことは、図１６を参照して以下のとおりわかる。

上記で説明した名称を用い、単一平面での屈折を考えると、傾斜角度βの平面の投影により見た場合、投影された屈折の角度β´は、直交入射角γに依存しており、屈折の法則は（投影角度に対して、および直交角度γに依存して）変更された形式で書き直すことができることが示され、：

この場合、実効屈折率ｎ（γ）は、次のように直交角度γに依存している：

この変更された屈折の法則を用いて任意の直交角度γのビームを通常のように投影図で追跡することができる。唯一の相違は屈折率ｎであり、屈折率ｎは、直交入射角度γおよび潜在的には波長λにも依存している。いずれの場合にも、上記のように分散効果（図１４参照）を修正するために補正が可能であり、任意の屈折分散補正された装置も直交発散度のために補正される。

本発明の原理を説明する好ましい一般的な実施形態による発散度を有する入射ビームを整形するための光学系を示す図である。 入射ビームを整形する光学系の別の実施形態を示す図である。 内部全反射（ＴＩＲ）表面における高屈折率被覆の効果を示すグラフである。 入射ビームを整形する光学系の別の好ましい実施形態を示す図である。 入射ビームを整形する光学系の別の好ましい実施形態を示す図である。 入射ビームを整形する光学系の別の好ましい実施形態を示す図である。 入射ビームを整形する光学系の別の好ましい実施形態を示す図である。 入射ビームを整形する光学系の別の好ましい実施形態を示す図である。 入射ビームを整形する光学系の別の好ましい実施形態を示す図である。 入射ビームを整形する光学系の別の好ましい実施形態を示す図である。 入射ビームを整形する光学系の別の好ましい実施形態であり、図１０の光学系が積み重ねられた配置図である リングレーザとして用いられる、図１１の光学系の変形した形態を示す図である。 波長およびＴＩＲインターフェースの入射角の関数として示す反射率の３次元プロット図である。 分散作用の補正要求が満たされている、入射ビームを整形するための光学系を示す図である。 ビーム整形に対する直交発散作用を示すＴＩＲインターフェースの概略図である。 入射ビームに対する直交発散作用を説明するための別の概略図である。

Claims (34)

1. 主伝搬方向に伝搬し少なくとも第１方向に角度分布を備える発散度を有する入射ビームの強度プロファイルを整形するための光学系であって、前記光学系が、前記少なくとも第１方向の角度分布を除去するための少なくとも１つの角度選択光学素子を備え、
   前記少なくとも１つの角度選択光学素子が、少なくとも１つの角度選択反射素子を備え、
   前記少なくとも１つの角度選択反射素子が、前記少なくとも１つの角度選択反射素子の周囲に比べてより大きな光学密度を有し、
   前記少なくとも１つの角度選択反射素子が、入射ビームに関して位置決めされ、これにより、前記入射ビームが、前記少なくとも１つの角度選択反射素子に入射後、該少なくとも１つの角度選択反射素子の少なくとも１つの面に所定の角度で入射し、前記角度が、内部全反射のほぼ臨界角度であり、
   前記角度選択反射素子が、前記ビームの主伝搬方向に対して≠０°の角度で伝搬する前記ビームの光線を少なくとも部分的にカットオフする、
   入射ビームを形成するための光学系。
2. 前記少なくとも１つの角度選択光学素子が、前記第１方向にのみ前記角度分布を除去する、請求項１記載の光学系。
3. 前記少なくとも１つの角度選択光学素子が、第２方向の前記角度分布を除去する、請求項１記載の光学系。
4. 前記第２方向が、前記第１方向に対して少なくともほぼ垂直である、請求項３記載の光学系。
5. 前記少なくとも１つの角度選択光学素子が、前記第１方向にのみ前記角度分布を除去し、前記光学系が、第２方向の前記角度分布を除去するための少なくとも１つの第２の角度選択素子をさらに備える、請求項１記載の光学系。
6. 前記少なくとも１つの面が、平面、球形、円柱形、非球形およびこれらの部分である、請求項１記載の光学系。
7. 前記少なくとも１つの面が、高反射膜により覆われている、請求項１記載の光学系。
8. 前記少なくとも１つの角度選択反射素子が、入射面を有しており、前記少なくとも１つの角度選択反射素子が、前記入射面が前記入射ビームに対してほぼ垂直に位置するように位置決めされる、請求項１記載の光学系。
9. 前記入射面が、反射防止膜により覆われている、請求項８記載の光学系。
10. 前記少なくとも１つの角度選択反射素子が、射出面を有しており、前記少なくとも１つの角度選択反射素子が、前記射出面から出射される射出ビームが前記射出面に対してほぼ垂直に位置するように位置決めされる、請求項１記載の光学系。
11. 前記射出面が、反射防止膜により覆われている、請求項１０記載の光学系。
12. 前記少なくとも１つの角度選択反射素子が、プリズム、ロッド、直平行六面体、または、断面が、多角形、台形または平行四辺形の少なくとも１つである面を有する物体のうち少なくとも１つを備える、請求項１記載の光学系。
13. 前記入射ビームと前記少なくとも１つの角度選択素子との相対位置が調節可能である、請求項１記載の光学系。
14. 少なくとも３つの角度選択光学素子をさらに備える、請求項１記載の光学系。
15. 入射ビームの強度プロファイルを整形し、射出ビームの強度プロファイルを形成するビーム整形光学ユニットにおいて、前記入射ビームが、少なくとも第１次元方向に前記入射ビームの発散に基づいて少なくとも一つの側に第１の強度勾配を有しており、前記ビーム整形光学ユニットが、前記射出ビームが前記少なくとも一つの側に第２の強度勾配を有するように射出ビームを形成し、前記第２の勾配が、前記第１の勾配よりも大きく、前記ビーム整形光学ユニットが、少なくとも１つの内部全反射により前記射出ビームの前記強度プロファイルを形成する、ビーム整形光学ユニット。
16. ビームスプリッタをさらに備える、請求項１５記載のビーム整形光学ユニット。
17. 前記ビームスプリッタが、固体リングレーザの出力カプラーとして作用する、請求項１６記載のビーム整形光学ユニット。
18. 前記ビーム整形光学ユニットが、前記入射ビームの角度分布に作用する、請求項１５記載のビーム形成光学ユニット。
19. 前記ビームスプリッタが、前記入射ビームを前記射出ビームと付加的なビームとに分割する、請求項１６記載のビーム整形光学ユニット。
20. 前記付加的なビームが、付加的なビームダンプにより吸収される、請求項１９記載のビーム整形光学ユニット。
21. 前記ビームダンプが、水冷されたビームダンプである、請求項２０記載のビーム整形光学ユニット。
22. 前記ビーム形成光学ユニットが、一連の内部全反射により前記射出ビームの前記強度プロファイルを形成する、請求項１５記載のビーム整形光学ユニット。
23. 少なくとも１つの波長に対して感応性を有する光学素子をさらに備え、これにより、分散に起因する前記入射ビームの角度広がりが補正される、請求項１５記載のビーム整形光学ユニット。
24. 前記波長に対して感応性を有する前記光学素子が、前記第１次元方向に対して垂直な次元方向の前記入射ビームの角度広がりに起因する、前記射出ビームの角度広がりをも補正する、請求項２３記載のビーム整形光学ユニット。
25. 主伝搬方向に伝搬し第１方向の角度分布を備える発散度を有する入射ビームをの強度プロファイルを整形する方法であって、前記ビームの主伝搬方向に対して≠０°の角度で伝搬する前記ビームの光線を少なくとも部分的にカットオフすることによって、前記入射ビームの少なくとも１つの内部全反射によって、前記第１方向の前記角度分布を除去するステップを備える、入射ビームを形成する方法。
26. 前記内部全反射について発散作用を補正するステップをさらに備える、請求項２５記載の方法。
27. 前記第１方向に対して直交する方向の前記内部全反射について前記入射ビームの直交発散作用を補正するステップをさらに備える、請求項２５記載の方法。
28. 長方形の輪郭を有するレーザビームに対して、前記第１方向、および該第１方向に直交する第２方向に前記入射ビームの発散度を補正するステップをさらに備える、請求項２７記載の方法。
29. 固体リングレーザの発散度を減じるために用いる、請求項２７記載の方法。
30. 材料加工のための薄型レーザビームを生成するための光学系において、請求項１に記載の光学系を備える、光学系。
31. 非晶質シリコン薄膜の配向結晶化のために使用される、請求項３０記載の光学系。
32. 入射ビームの分散および発散度を補正するための装置において、請求項１に記載の光学系を用いる、装置。
33. 長方形の輪郭を有するレーザビームの直交方向の発散度を補正するための装置において、請求項１に記載の光学系を用いる、装置。
34. 固体リングレーザの発散度を減じるための装置において、請求項１の光学系を用いる、装置。

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