JPH04134418A - レーザ回折装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、光コンピユーテイングシステムやファイバー
分波器等に応用可能な、位相制御型のレーザ回折装置に
関する。

（従来の技術） 従来、高い効率で一次元または二次元の等強度スポット
アレイを形成する回折格子（アレイイルミネータ）とし
ては、特開昭６１−２０４６０１号公報で示されるよう
なダンマン（Ｄ　ａ　ｍｍ　ａｎｎ）　　・グレーティ
ングが知られている。第５図は、上述した高い効率で一
次元または二次元の等強度スポットアレイを形成する場
合を示しており、レーザ光源１１から放射されたレーザ
光をレンズ１２により平行光にし、これを回折格子１３
にて回折し、さらにレンズ１４によりフーリエ変換する
。１５は出力面で、上述のようにレーザ光源１１から放
射されたレーザ光が、レンズ１２、回折格子１３、レン
ズ１４を通過して等強度のスポットを形成する。

第６図は、上記回折格子１３の変化点と複素振幅透過率
を示している。ここでは、説明を簡略化するため、Ｘ方
向のみの一次元で考えている。図から明らかなように、
この回折格子１３は次のような特徴を有する。

（１）周期的構造である。ここでは、回折格子の基本周
期を１として解析しており、この基本周期が無限に繰り
返しているものとする。

（２）原点（Ｘ＝０）において対称である。

（３）位相量は０もしくはπの２値である。複素振幅透
過率はそれぞれ＋１（位相量・０）、１（位相量、π）
となる。

この回折格子の複素振幅透過率を関数ｇ　（ｘ）で表す
と次式のようになる。

０　≦　Ｘ　≦　０．５　　　　　　・・・　（１）こ
こで、ｌｘｌ≦１／２の場合、 ＋ｅｃｔ（ｘ）　＝１ ｘ　ｌ　＞　１　／　２の場合、 ｒｅｃｌｆｘ）　＝０ と定義する。

前記レンズ１４は、回折格子１３を通過したレーザ光を
フーリエ変換するものであり、Ｘ軸において、回折格子
は無限に続いていると仮定しているので、ｇ　（ｘ）は
次式で示すように、フーリエ級数で表すことができる。

↓■ ｇ　（１）　＝　ΣＡｍ　　ｅｘｐ（２π１ｎｒｌ・・
・　（２） 上式において、Ａｍは、フーリエ変換面（出力面）１５
においてｍ次回折光の振幅を与えるものである。

このＡｍは、対称性ｇ　（ｘ）　＝ｇ　（−ｘ）を利用
°することにより次のようになる。

（１）　（３）式からｍ次回折光の振幅は次のように求
められる。

５ｉｎ（２πｍｘｎ）　　、　ｍ≠０ ・・・　（５） 回折格子の対称性から、Ａｍ＝Ａ−ｍであり、また、回
折光強度１ｍは、１ｍ　＝Ａ２１１ｆｉである。

ダンマン・グレーティングの設計の際には、次式の最適
化計算により、等強度の条件になるように回折格子の変
化点（位相が変化する点）Ｘ＝＜ｘｌ、・・・、ＸＮ＞
を求める。このようにして求められた解により制作され
る回折格子が前述したダンマン・グレーティングである
。

Ｔ　Ｏ（Ｘ　　）　＝　Ｉ±１（Ｘ　　）＝−＝　Ｉ±
Ｎ（Ｘ　　）−・・（６）このようにして作られた回折
格子を第５図の回折格子として配置する。この構成によ
ると、第５図で示すように、レーザ光源１１から放射さ
れたレーザ光はレンズ（コリメータ）１２で平行光にさ
れ、上記回折格子１３に入射される。そして、回折格子
１３により回折されたレーザ光はレンズ１４によりフー
リエ変換され、出力面（フーリエ変換面）１５に、等強
度のスポットを生成する。なお、第７図はダンマン・グ
レーティングを通る光の位相量変化を表している。

（発明が解決しようとする課題） このような従来のダンマン・グレーティングの場合、出
力の等強度化を行うために、格子の変化点の座標を変化
させている。しかし、このダンマン・グレーティングの
原理を電気アドレス方式の空間位相変調器に応用しよう
としても、電気アドレス方式の空間位相変調器は、ダン
マン・ブレティングの制作に必要な空間分解能を備えて
いない（ピクセル数が有限である）ので、応用すること
は困難である。

本発明の目的は、電気アドレス方式の空間位相変調器に
応用可能な、新しい原理の、等強度スポットを実現する
レーザ回折装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明によるレーザ回折装置は、レーザ光を回折する回
折格子として、互いに間隔を保って対峙している一対の
透明電極間に液晶を封止した液晶装置を用い、上記透明
電極間に電圧を印加して、上記液晶を通過したレーザ光
の位相量を変化させるものである。

（作用） 本発明では、回折格子として、液晶装置を用い、その透
明電極間に印加される電圧により、この液晶装置を通る
レーザ光の位相量を調整し、回折するものである。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図において、第５図で示した従来例と同様に、レー
ザ光源１１から放射されたレーザ光をレンズ１２により
平行光にし、これを回折格子１３にて回折し、さらにレ
ンズ１４によりフーリエ変換する。

そして、上述のようにレーザ光源１１から放射されたレ
ーザ光が、レンズ１２、回折格子１３、レンズ１４を通
過して等強度のスポットを出力面Ｉ５に形成する。

上記回折格子１３としては、互いに間隔を保つて対峙し
ている一対の透明電極間に液晶を封止した液晶装置を用
いている。この液晶装置１３には、液晶テレビに用いら
れるような液晶表示器を用いる。上記透明電極間には、
コンピュータ１６によって求められた電圧が、フレーム
メモリ１７を介して印加される。

ここで、液晶は一般に複屈折性物質であり、光の偏向方
向が分子軸に平行な場合と垂直な場合とでは、光の屈折
率が異なる特性を有する。一般に液晶テレビ等では９０
°ツイストネマテイツク液晶が用いられており、これが
前述のように透明電極間にサンドイッチ状に保持されて
いるので、この２つの透明電極間では液晶分子の分子軸
が９００捩じれた構造となっている。

また、第３図（ｂ）で示すように、上記透明電極１９．
２０間に電圧を印加すると、液晶の分子軸は印加された
電界と平行になろうとして傾き角θを持つようになる。

この傾き角θと印加電圧の大きさとの関係は第３図（ａ
）で示す通りである。

ここで、まったく電圧が印加されていない場合と、分子
軸が僅かに傾くだけの電圧を印加した場合とを考え、こ
れらの場合における光の屈折率をそれぞれｎｅおよびｎ
（θ）とする。この場合、これらの位相差ψは次式で表
される。

ψ＝（２ｙｒ／λ）ｄ　１ｎｅ−ｎ　（θ））＋ＩＱ≦
ｎ（θ）≦ｎｅ　　　　　　　　　・・・　（７）λは
波長、ｄは液晶の厚さ この場合、分子軸が僅かに傾くだけの電圧を印加する理
由は、９０″ツイストネマテイツク液晶をあまり傾ける
と、位相変調だけでなく強度変調もかかってしまうため
である。

このように前記透明電極１９．２［１を介して液晶に電
圧を印加すると、この液晶に印加された電圧により、液
晶を通過したレーザ光の位相が変化することになる。

本発明はこのような現象に着目してなされたものであり
、第２図は、このような位相制御型の回折格子１３を通
った光の位相量変化を表している。

この回折格子では、格子の変化点を固定しており、ここ
では、図示のように、位相の変調を行う場所の幅をｂ、
位相の変調を行わない場所の幅をａとしている。この回
折格子の特徴は、ダンマン・グレーティングの特徴とほ
ぼ同じで、以下に示す通りである。

（１）周期的構造である。すなわち、基本周期を１とし
て解析し、この基本周期が無限に繰り返しているものと
する。

（２）原点（ｘ　＝　０）について対称である。

ここで、位相量をφｎ、ｎ＝ｌ、・・・、Ｎのように与
えると、この回折格子は、次式のように表される。

ｇ　（り　＝　「ｅｅｌ　（ｔ／ａ）本（２Ｎ−１）ｃ
ｏｍｂ　Ｉ（２Ｎ−１）　ｘ、（δ（Ｘ２ｎ−１２ｎ−
Ｉ ＴＴＴＴ”Ｔ）　）＋δ（！＋ＴＴＴｆＴ））＋ｅｘｐ
　（ｉφＮｌ　ｒｅｃ　ｆ　（！／ｂ）　ｅδ（ｘ−１
／２Ｂ　１ｃｏｒｎｂ　（ｘ）・・・（８） ここで、ｃｏｍｂ　（ｘ）＝　　Σδ（ｎ−ｘ）ｎ＝−
■ と定義し、＊印はコンボリューション（たたみこみ積分
）を表す。

出力面１５での光強度分布は、ｇ　（ｘ）をフーリエ変
換することにより得られる。ここで上記（８）式のフー
リエ変換を行うと次式となる。

Ｇ（ｆ）＝　　ｚｅ＋１ｎｃ（ｔｆ）　＠ｃｏｍｂ（１
／（２Ｎ−１）１．２　ｃ　ｏ　ｓ　（」ｒ■ｙｒ　ｆ
　）Ｎ−１ ＋ｅｘｐｌｉφＮ　　ｌｂ−５ｉｎｅ（ｂｆ　　）・　
ｅｔｐｌ　　ｉπｆｉｌ　　・　ｃｏｍｂ（＋）　　　
　　　　−（９）ｓｉｎ　　π　ｆ ここで、５ｉｎｃ（ｆ）−一。ニーと定義する。

上記（９）式から、ｍ次回折光の振幅は次のように求め
られる。

＋ｂ ｅｘｐ　（ φＮ） ・・・　（１０） ｎ−１ ２ｃＯ５（２Ｎ−１ πｍ） ＋　ｅｌｐ　（ φＮｌｂ ｓｉｎｃ（ｂｍ）　　・ ｅｘｐ　ＪｉｒＩ！ｌｌ ｍ＝１ Ｎ−１ ・・・　（１１） ここで、回折格子の対称性からＡｍ＝Ａ−ｍである。回
折光の強度は、ｌｍ＝ｌＡｍ１２で求められる。この回
折格子の設計に際し、最適化計算により次式の等強度条
件を満足するように、それぞれの格子の位相量Ｐ＝＜φ
１．・・・、φ９〉を求める。

第１図に示された回折格子１３は上述のようにして設計
されたものであり、レーザ光源１１から放射されたレー
ザ光はレンズ１２を通って平行光となり、上記回折格子
、すなわち、液晶装置１３を通って回折され、さらにレ
ンズ１４を通ってフーリエ変換されて、出力面１５上に
等強度スポットを形成する。

上記回折格子の一例として、Ｎ＝２．３，４゜８の場合
の回折格子の位相量データを計算したものが次の表に示
す値である。これらの値は前記（１２）式を満足する解
φである。ただし、第２図におけるａ　／　ｂ　＝　１
　／　９とする。

（以下次頁） すなわち、上記表に示された値は、前述した等強度化に
必要な回折格子の位相量（ラジアン）である。

第１図に示したコンピュータ１６は、前述したようにス
ポットアレイの等強度化のための位相量を計算し、回折
格子である液晶装置１３のピクセル（画素）に、フレー
ムメモリ１７を介して、位相量に相当する電圧を印加す
る。

上記構成において、コンピュータ１６により計算された
回折格子のパターンは、フレ・−ムメモリ１７を介して
液晶装置１３に出力される。すなわち、上記コンピュー
タ１６は前述のように最適化計算によってスポットアレ
イの等強度化のための位相量を計算し、その計算結果に
相当する電圧を、フレームメモリ１７を介して液晶装置
１３のピクセルに印加する。この結果、光源からのレー
ザ光は平行光にされてから、位相制御型回折格子として
機能する液晶装置１３により回折され、レンズ１４によ
りフーリエ変換されて出力面（フーリエ変換面）１５に
等強度のスポットアレイを形成する。

第４図は、上述した液晶装置を用いた位相制御型の回折
格子をレーザ光のコヒーレント集光に用いた例を示して
いる。図において、２２は複数の半導体レーザ素子であ
り、これらから放射されたレーザ光は上述した位相制御
型の回折格子１３に入射され、回折される。また、２３
はアパーチャー２４は出力ミラーである。上記回折格子
１３は各レーザーの共振器ミラーと出力ミラー２４によ
り構成される共振器内に置かれており、このため、それ
ぞれのレーザ光は出力ミラーを共有する構造になってい
る。

上記構成において、各半導体レーザ素子２２から放射さ
れたレーザ光は、回折格子１３を通り、アパーチャー２
３を通って出力ミラー２４に到達する。

この場合、回折格子１３による集光効率が最大になるよ
うに、それぞれのレーザの位相が整合された状態で光が
出力ミラー２４と半導体内とを往復することによりレー
ザが発振する。したがって、この共振器では、上述のよ
うに位相が整合されるように、半導体レーザ素子２２゛
の位置等を調整する必要がある。

ここで、回折格子（アレイイルミネータ）１′！、最近
の光コンピュータの研究において、光結線素子として注
目されており、光コンピユータシステムへの応用として
は、（１）高密度化した大量の素子へのクロック信号の
分配（クロックスキューを無くす手段として有用）、（
２）光演算システムの入力へのに使用、等が考えられて
いる。この他、その適用範囲は今後の研究によりより拡
大すると考えられる。

また、液晶装置１３を２台直列に配置することにより、
２次元回折格子とすることも可能である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によるレーザ回折格子は、ダンマン
・グレーティングに対して原理的に新しいものであり、
電気アドレス方式の空間位相変調器に適用することがで
きる。このため、ダンマン・グレーティングを、その位
相変化点の座標位置を正確に出すために電子ビーム露光
装置を用いたリソグラフィー法によって制作する必要は
なく、ダンマン・グレーティングと同等の性能を有する
回折装置を容易に制作することができる。また、電気ア
ドレス方式の空間位相変調器として用いるので、光源の
レーザの波長が変化しても、位相量を変化させることに
より、この変化に適応した回折装置を実時間で形成でき
る。さらにスポット数を任意に変化させることも可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザ回折装置の一実施例を示す
構成図、第２図は第１図で示した位相制御型回折格子を
通った光の位相量変化を表す図、第３図（りは液晶の分
子軸の傾きと印加電圧との関係を示す特性図、第３図（
ｂ）は上記液晶に電圧を加えている状態を説明するため
の斜視図、第４図は本発明の他の実施例を示す図、第５
図は従来装置を示す図、第６図は第５図で示した回折格
子の変化点と複素振幅透過率を示す図、第７図は従来装
置を通った光の位相量変化を表す図である。 １１・・レーザ光源、１３・・回折格子、１９．２０・
・透明電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光を回折する回折格子として、互いに間隔
   を保って対峙している一対の透明電極間に液晶を封止し
   た液晶装置を用い、上記透明電極間に電圧を印加して、
   上記液晶を通過したレーザ光の位相量を変化させること
   を特徴とするレーザ回折装置。