TWI566489B - Wavelength conversion type spatial light modulation device - Google Patents

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Masatoshi Fujimoto
Shingo Oishi
Kenshi Fukumitsu
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

波長轉換型空間光調變裝置
本發明係有關波長轉換型空間光調變裝置。
非專利文獻1記載有使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)鏡進行紫外光(波長400nm)在傅立葉面的相位調變之技術。該非專利文獻1所使用的MEMS鏡能將包含於200nm以上900nm以下的波長範圍之光進行空間上相位調變。
又，非專利文獻2記載有使用能讓包含紫外區的波長範圍之光透過的液晶裝置，進行寬頻光在傅立葉面的相位調變之技術。該非專利文獻2所使用的液晶裝置為能將包含於260nm以上1100nm以下的波長範圍之光進行空間上相位調變。此外，該非專利文獻2所使用的液晶本身之評估結果記載於非專利文獻3。
又，非專利文獻4記載有將350nm頻帶之光進行空間上相位調變之技術。該非專利文獻4所使用的相位調變裝置，可想到具有繞射光學元件(DOE：Diffractive Optics Elements)這種固定的調變圖案之裝置。
又，非專利文獻5記載有以紫外雷射光的脈衝波形控制作為目的，在傅立葉面的相位調變之後進行波長轉換之技術。
[先行技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1]M. Hacker et al., “Micromirror SLM for femtosecond pulse shaping in the ultraviolet”, Applied Physics B, Vol.76, pp.711-714 (2003)
[非專利文獻2]T. Tanigawa et al., “Spatial light modulator of 648 pixels with liquid crystal transparent from ultraviolet to near-infrared and its chirp compensation application”, Optics Letters, Vol.34, No.11, pp.1696-1698 (2009)
[非專利文獻3]K. Hazu et al., “Spatial light modulator with an over-two-octave bandwidth from ultraviolet to near infrared”, Optics Letters, Vol.32, pp.3318-3320 (2007)
[非專利文獻4]A. Holle et al., “Optimizing UV laser focus profiles for improved MALDI performance”, Journal of Mass Spectrometry, Vol.41, pp.705-716 (2006)
[非專利文獻5]P. Nuernberger et al., “Generation of shaped ultraviolet pulses at the third harmonic of titanium-sapphire femtosecond laser radiation”, Applied Physics B, Vol.88, pp.519-526 (2007)
近年來，在雷射加工的領域中，使用空間光調變器將雷射光進行空間上相位調變。藉由使用空間光調變器能將雷射光整形成任意圖案，而能實現具有各種特徵的加工。
又，近年來，在雷射加工的領域，嘗試藉由紫外雷射光之加工。藉由紫外雷射光之加工，相較於藉由近紅外光或可見光之加工，由於雷射光容易被各種材料吸收，能使點徑小而能進行微細加工，對加工對象之熱影響減少而具有眾多優點。因此，藉由紫外雷射光之加工使可加工的材料之適用範圍較廣，且可實現高品質且微細之加工。又，紫外雷射光亦適用於光微影技術的曝光、對紫外線硬化樹脂之照射等之利用化學性作用之加工。
但是，相較於近紅外光或可見光，紫外雷射光之光子能量大，因此在使用空間光調變器將紫外雷射光進行空間上相位調變時，會有影響到空間光調變器的動作之情形。例如，於LCOS(Liquid crystal on silicon)型空間光調變器之情形，由於紫外雷射光透過設置在液晶層或其兩側的配向膜而使得其等逐漸地劣化，因此要穩定地進行調變動作變困難。
本發明係鑑於這種問題點而研發者，其目的在於提供波長轉換型空間光調變裝置，其係能輸出空間上經相位調變的紫外雷射光，且能減少對空間光調變部的影 響。
為了解決上述課題，本發明之波長轉換型空間光調變裝置，其特徵為，具備：空間光調變部，係輸入比紫外線區更長的波長區之雷射光，且具有相位調變面，其用以在二維排列的複數區域之各個將雷射光的相位進行調變而產生調變雷射光；波長轉換部，具有接收從空間光調變部輸出的調變雷射光之光入射面，且用以將調變雷射光的波長轉換成紫外線區的波長；及像轉印光學系統，係將空間光調變部的相位調變面和波長轉換部的光入射面，以彼此光學上成為共軛系的方式結合。
該波長轉換型空間光調變裝置具備空間光調變部及波長轉換部。空間光調變部係輸入比紫外線區更長的波長區(例如可見區等)之雷射光且將該雷射光進行空間上相位調變。因而，相較於輸入紫外雷射光的情形，對空間光調變部的動作之影響顯著地減少。又，波長轉換部係將從空間光調變部輸出的調變雷射光的波長轉換成紫外區的波長。藉此，能適當地輸出空間上經相位調變的紫外雷射光。
通常，對雷射光施加空間上不均等的相位調變時，該雷射光顯示以各調變點為點光源之傳播特性。因而，相位調變後的雷射光之相位分布係隨著雷射光的進行而逐漸地變化。鑑於這種問題，上述波長轉換型空間光調 變裝置係藉由像轉印光學系統，將空間光調變部的相位調變面和波長轉換部的光入射面，以彼此光學上成為共軛系的方式結合。藉此，使在空間光調變部的相位調變面賦予雷射光的相位分布轉印到波長轉換部之光入射面(亦即波長轉換面)，而能以所期望的相位分布賦予到雷射光之狀態進行波長轉換。因而，根據上述波長轉換型空間光調變裝置，能適當地輸出被施加期望的相位調變後之紫外雷射光。
根據本發明之波長轉換型空間光調變裝置，能輸出空間上經相位調變的紫外雷射光，且能減少對空間光調變部之影響。
1A、1B、1C、1D‧‧‧光調變裝置
10‧‧‧空間光調變部
10a‧‧‧相位調變面
11‧‧‧SLM模組
12‧‧‧殼體
13‧‧‧稜鏡
14‧‧‧反射型SLM
20‧‧‧波長轉換部
20a‧‧‧光入射面(波長轉換面)
30、33‧‧‧像轉印光學系統
31、32、34‧‧‧透鏡
41‧‧‧光源
41a‧‧‧超短脈衝雷射光源
41b‧‧‧轉換單元
42‧‧‧光束擴展器
43‧‧‧衰減器
44‧‧‧聚光透鏡
45‧‧‧加工台
46‧‧‧成像面
51‧‧‧光束分光鏡
54‧‧‧光束擴展器
55‧‧‧衰減器
56‧‧‧可變光學延遲系統
57‧‧‧λ/2板
A‧‧‧加工對象物
L1‧‧‧雷射光
L2‧‧‧調變雷射光
L3‧‧‧紫外雷射光
第1圖係第1實施形態之波長轉換型空間光調變裝置之構成的示意概略圖。
第2圖係上述光調變裝置之具體例的光調變裝置之示意圖。
第3圖係像轉印光學系統及上述既定的光學系統之具體例之示意圖。
第4圖係作為空間光調變部之例所顯示之SLM模組之側剖視圖。
第5圖係反射型SLM之俯視圖。
第6圖係第5圖所示之反射型SLM的沿著VI-VI線之側剖視圖。
第7圖(a)~(d)係作為實施例之使用本實施形態的光調變裝置產生文字圖案的結果之示意圖。
第8圖係菲涅耳透鏡狀的相位圖案之例之示意圖。
第9圖係使用焦點距離為12m之菲涅耳透鏡的相位圖案進行相位調變時的點觀察像之示意圖。
第10圖係將BBO結晶中從調變雷射光(波長515nm)朝紫外線雷射光(波長258nm)的波長轉換效率、與菲涅耳透鏡狀的相位圖案的焦點距離之關係予以作圖之圖表。
第11圖(a)(b)係聚焦透鏡狀的相位圖案之例之示意圖。
第12圖係一維繞射光柵狀的相位圖案之例之示意圖。
第13圖係使用焦點距離為8m聚焦透鏡的相位圖案進行相位調變時的情形之觀察像之示意圖。
第14圖係使用光柵間隔為200μm的二值繞射光柵的相位圖案進行相位調變的情形之觀察像之示意圖。
第15圖係作為上述實施形態之像轉印光學系統的變形例之像轉印光學系統33的構成示意圖。
第16圖係構成第2實施形態之光調變裝置的示意概略圖。
第17圖係作為上述光調變裝置之具體例的光調變裝 置之示意圖。
以下，邊參照附圖邊詳細說明本發明之波長轉換型空間光調變裝置之實施形態。此外，圖式說明中，對同一要素附加同一符號而省略重複說明。
(第1實施形態)
第1圖係本發明之第1實施形態的波長轉換型空間光調變裝置(以下稱為光調變裝置)的構成之概略示意圖。本實施形態之光調變裝置1A具備空間光調變部10、波長轉換部20及像轉印光學系統30。
空間光調變部10具有在二維排列的複數區域之各個將輸入光的相位進行調變之相位調變面10a。本實施形態之空間光調變部10例如藉由LCOS型空間光調變器構成。空間光調變部10係將比紫外區更長的波長區(例如可見區和紅外線區。具體而言是波長400nm以上)的雷射光L1輸入相位調變面10a，在上述複數區域各個調變雷射光L1的相位，且在垂直於雷射光L1之光軸的剖面(以下稱為光束剖面)之各點施行既定的相位調變之後，輸出相位調變後的雷射光(以下稱為調變雷射光)L2。
波長轉換部20具有接收從空間光調變部10輸出的調變雷射光L2之光入射面，且將調變雷射光L2的波長轉換成紫外區的波長(例如200nm~400nm)。波長轉 換部20係將波長轉換後的紫外雷射光L3輸出至光調變裝置1A的外部。
作為波長轉換部20，係使用波長轉換前之光波相位資訊和波長轉換後之光波相位資訊具有一定的函數關係之性質者。因此，波長轉換部20係含有例如非線形光學結晶而構成，藉由產生調變雷射光L2的高諧波(第2高諧波等)，將調變雷射光L2轉換成紫外雷射光L3。例如，於非線形光學結晶產生第2高諧波之情形，由於產生與輸入的調變雷射光L2的光束剖面各點的電場之均方成比例的輸出光，因此對於調變雷射光L2的光束剖面各點的相位調變量，能得到在各點具有2倍相位調變量之紫外雷射光L3。此外，產生高諧波的方式當然只是一例，波長轉換部20的構成不限定於此。
此處，通常，在雷射光施加有空間上不均等的相位調變時，該雷射光顯示以各調變點為點光源之傳播特性。因而，調變雷射光L2之相位分布係隨著調變雷射光L2的行進而逐漸地變化。因此，本實施形態係像轉印光學系統30將相位調變面10a的調變雷射光L2的光束剖面之強度及相位分布，轉印至波長轉換部20的光入射面(波長轉換面)之光束剖面之強度及相位分布。
亦即，本實施形態之像轉印光學系統30係配置於空間光調變部10和波長轉換部20之間的光學系統，空間光調變部10的相位調變面10a和波長轉換部20的光入射面，以彼此成為光學性共軛系的方式結合。像轉印光 學系統30係包含一個或複數個透鏡而構成。作為像轉印光學系統30的構成係以具有使平行光到平行光建立對應之特性的4f光學系統為佳，也可以是連結複數個4f光學系統而構成，但不限於該等。例如，像轉印光學系統30也可以是藉由1片單透鏡使相位調變面10a和波長轉換部20之光入射面形成共軛之光學系統。又，像轉印光學系統30的前後之成像面彼此的關係也可以是放大、等倍、縮小的任一種。
藉由這種像轉印光學系統30的作用，將在空間光調變部10的相位調變面10a所給予的調變雷射光L2的相位分布轉印到波長轉換部20之光入射面(波長轉換面)，能於調變雷射光L2維持所期望的相位分布之狀態進行波長轉換。換言之，波長轉換面的調變雷射光L2各點的相位調變量與空間光調變部10的相位調變面10a的共軛點之相位調變量成為相同大小。藉此，能適當地控制波長轉換時的光束剖面各點的相位調變量。
根據本實施形態之光調變裝置1A，藉由具備以上構成，能將波長轉換部20的紫外雷射光L3的光束剖面各點的空間相位調變量，藉由空間光調變部10的相位調變而適當地控制，因此能適當地輸出在光束剖面各點施加有所期望的相位調變之紫外雷射光L3。
第2圖係作為上述光調變裝置1A的具體例之光調變裝置1B之示意圖。第2圖所示之光調變裝置1B除了上述空間光調變部10、波長轉換部20及像轉印光學 系統30以外，還具備光源41，光束擴展器42、衰減器43、聚光透鏡44及加工台45。
光源41輸出例如波長515nm、脈衝寬1.0ps、重覆頻率數100Hz的脈衝雷射光作為雷射光L1。光源41係藉由例如超短脈衝雷射光源41a及第2高諧波(SHG)轉換單元41b適當地構成。於光源41輸出波長515nm之光作為雷射光L1時，超短脈衝雷射光源41a輸出波長1030nm之光。SHG轉換單元41b產生該光之第2高諧波，亦即波長515nm之光。從光源41輸出的雷射光L1藉由光束擴展器42及衰減器43調整成最適當的光束輪廓及光強度之後，射入空間光調變部10。此外，衰減器43例如包含波長板43a及偏光光束分光鏡43b而構成為佳。
像轉印光學系統30係藉由包含2片透鏡31、32的中繼光學系統而構成。如前述，像轉印光學系統30係將空間光調變部10的相位調變面和波長轉換部20的光入射面以彼此共軛系的方式結合。
波長轉換部20係例如BBO結晶、LBO結晶，CLBO結晶這種適於產生紫外區高諧波之非線形光學結晶。本例中，由於使用超短脈衝雷射光源41a作為光源41，即使將非線形光學結晶的厚度設定為充分保持像轉印光學系統30之共軛關係的長度以下，亦能得到充分之轉換效率。此外，於使用超短脈衝雷射光源41a以外之光源(連續光源等)作為光源41時，為了提高波長轉換效率， 可使用長條的非線形光學結晶作為波長轉換部20。因而，像轉印光學系統30以具有也考慮到光軸方向的非線形光學結晶的寬度之焦點深度的大小的共軛系為佳。
在該光調變裝置1B，空間光調變部10的相位調變面和波長轉換部20的波長轉換面(非線形光學結晶面)係藉由像轉印光學系統30的中繼光學系統而彼此形成共軛關係。藉此，將在相位調變面的調變波面轉送至非線形光學結晶面。而且，所轉送的光(調變雷射光L2)在非線形光學結晶中轉換成1/2波長之光，作為紫外雷射光L3射出。此時，射出光的波面的相位調變量變成空間光調變部10所賦予的相位調變量之2倍。藉此，適當地實現紫外雷射光L3(波長258nm)的波面調變。
此外，如第2圖所示，經調變之紫外雷射光L3係從波長轉換部20的非線形光學結晶面透過既定之光學系統(例如4f光學系統)被導光至加工對象物A的加工部位，藉此能對加工對象物A以所期望的圖案進行加工。此外，本例中，作為上述既定之光學系統係例示聚光透鏡44，但既定之光學系統不限於此。
第3圖係像轉印光學系統30及上述既定之光學系統的具體例之示意圖。在第2圖所示之光調變裝置1B，為了將藉由空間光調變部10的相位調變面10a所給予的相位分布正確地轉送至波長轉換部20的波長轉換面20a，相位調變面10a和波長轉換面20a為具有傅立葉共軛之關係較佳。例如，如第3圖所示，較佳係使相位調變 面10a和透鏡31之距離與透鏡31的焦點距離f1(例如250mm)相等，使透鏡31和透鏡32之距離與焦點距離f1和透鏡32的焦點距離f2(例如100mm)之和相等，使透鏡32和波長轉換面20a之距離與焦點距離f2相等。又，較佳係使波長轉換面20a和透鏡44之距離、及使透鏡44和成像面46(加工對象物的表面)之距離，各自與透鏡44的焦點距離f3(例如200mm)相等。
藉由這種像轉印光學系統30，使相位調變面10a和波長轉換面20a彼此建立對應作為縮小光學系統，且在相位調變面10a產生的調變雷射光L2係於傅立葉共軛面波長轉換面20a成像。此外，實際進行微細加工時，將相位調變面10a的相位分布轉送至對物透鏡44的瞳孔面，得到適切大小的圖案為適當。
第4圖係作為空間光調變部10之例之SLM(Spatial Light Modulator)模組11的示意側剖視圖。該SLMM模組11具備殼體12及收納於殼體12內部的稜鏡13及反射型SLM14。殼體12具有大致直方體狀的外觀，其一對側壁之一方設置有開口12a，另一方設置有開口12b。從第2圖所示之光源41將雷射光L1射入開口12a。
稜鏡13係其一剖面呈形成三角形狀之四面體，具有：包含該三角形狀的三邊當中的一邊之第1面13a、包含另一邊之第2面13b及包含剩餘的一邊之第3面13c。在第1面13a形成有反射雷射光L1的介電體多 層膜鏡18a，在第2面13b形成有同樣地反射雷射光L1的介電體質多層膜鏡18b。稜鏡13係以其厚度方向與連結開口12a和開口12b的軸線正交的方式，載置於殼體12的底板12c上。而且，稜鏡13的第1面13a係朝向殼體12的開口12a配置，第2面13b係朝向開口12b配置。稜鏡13的第3面13c係配置於殼體12的底板12c上。
反射型SLM14係於殼體12的內部配置在稜鏡13的上方。反射型SLM14係從斜前方接收由介電體多層膜鏡18a反射之雷射光L1，使該雷射光L1反射，並且藉由在二維排列的複數區域(像素)之各個將雷射光L1相位調變而產生調變雷射光L2。此外，反射型SLM14係藉由移動機構16支持。移動機構16為了調整反射型SLM14的角度而固定於殼體12，並吊下反射型SLM14。在移動機構16和殼體12的頂板12d之間配置有用以控制反射型SLM14的電路基板17。
第5圖及第6圖係反射型SLM14的構成例之示意圖。第5圖係反射型SLM14之俯視圖。又，第6圖係沿著第5圖所示之反射型SLM14的VI-VI線之側剖視圖。本實施形態之反射型SLM14係如第5圖所示具備二維排列的複數像素區域14a。又，參照第6圖，反射型SLM14具備矽基板14b、驅動電路層14c、複數像素電極14d、介電體多層膜14e、液晶層14f、透明導電膜14g及透明基板14h。
透明基板14h主要含有例如玻璃等光透過性材料，使射入的雷射光L透過至反射型SLM14的內部。透明導電膜14g形成在透明基板14h的背面上，主要含有透過雷射光L1的導電性材料(例如ITO)而構成。複數像素電極14d係依照第5圖所示之複數像素區域14a的排列而排列成二維狀，沿著透明導電膜14g排列於矽基板14b上。各像素電極14d例如由鋁這種金屬材料構成，該等之表面加工成平坦且滑順。複數像素電極14d係藉由設置於驅動電路層14c的主動陣列電路而驅動。主動陣列電路係對應欲從反射型SLM14輸出的調變雷射光L2之光像而控制對各像素電極14d的施加電壓。
液晶層14f配置於複數像素電極14d和透明導電膜14g之間，在其兩側(液晶層14f和像素電極14d之間，及液晶層14f和透明導電膜14g之間)分別配置有配向膜14j及14k。液晶層14f係對應藉由各像素電極14d和透明導電膜14g所形成的電場而調變雷射光L1的相位。亦即，藉由主動陣列電路或在像素電極14d施加電壓，即在透明導電膜14g和該像素電極14d之間形成電場。該電場係對於介電體多層膜14e及液晶層14f之各個，以對應於各個的厚度之比例予以施加。而且，對應於施加在液晶層14f的電場之大小使液晶分子C的排列方向改變。
雷射光L1透過透明基板14h及透明導電膜14g而射入液晶層14f時，該雷射光L1在通過液晶層14f 之期間藉由液晶分子C調變，於介電體多層膜14e反射後，再度藉由液晶層14f調變後取出。介電體多層膜14e配置於複數像素電極14d和液晶層14f之間，與像素電極14d的表面具有的光反射作用協同動作，將雷射光L1以高反射率反射。
說明藉由具備以上構成的本實施形態之光調變裝置1A、1B所得到之效果。該光調變裝置1A、1B具備空間光調變部10及波長轉換部20。空間光調變部10輸入比紫外區更長的波長區的雷射光L1，且將該雷射光L1進行空間上相位調變。因而，相較於輸入紫外雷射光的情形，對空間光調變部10的動作之影響顯著地減少。又，波長轉換部20係將從空間光調變部10輸出之調變雷射光L2的波長轉換成紫外區的波長。藉此，能適當地輸出空間上經相位調變的紫外雷射光L3。
又，該光調變裝置1A、1B係藉由像轉印光學系統30，將空間光調變部10的相位調變面10a和波長轉換部20的波長轉換面20a以彼此光學上成為共軛系的方式結合。藉此，將在空間光調變部10的相位調變面10a對雷射光L1給予的相位分布，轉印至波長轉換部20的波長轉換面20a，而能於將所期望的相位分布賦予在調變雷射光L2之狀態進行波長轉換。因而，根據本實施形態之光調變裝置1A、1B，能將施加期望的相位調變後之紫外雷射光L3適當地輸出。
又，如本實施形態，空間光調變部10亦可具 有：液晶層14f，係對應於施加電場的大小將雷射光L1的相位進行調變；配向膜14j及14k，係配置於液晶層14f的兩側；及複數電極14d，係設置於複數區域各個，將使施加電場產生的電壓施加於液晶層14f。當紫外雷射光透過這種空間光調變部10的液晶層14f和配向膜14j及14k，液晶層14f和配向膜14j及14k逐漸地劣化。根據本實施形態之光調變裝置1A、1B，由於將比紫外區更長的波長區的雷射光L1輸入空間光調變部10，因此對液晶層14f和配向膜14j及14k的這種影響減少，並且能適當地輸出空間上經相位調變的紫外雷射光L3。
又，如本實施形態，波長轉換部20包含非線形光學結晶為佳。藉此，能將比紫外區更長的波長區的調變雷射光L2的波長適當地轉換成紫外區的波長。
又，如本實施形態，像轉印光學系統30包含4f光學系統為佳。藉此，能將在空間光調變部10的相位調變面10a對雷射光L1給予的相位分布，適當地轉印至波長轉換部20的光入射面20a。
此處，第7圖係使用本實施形態之光調變裝置1B產生文字圖案作為實施例之結果的示意圖。本實施例中，產生文字圖案「H」、「P」、「K」及「HPK」，且使用設置在成像面46(參照第3圖)之光束剖面儀觀察紫外雷射光L3(波長258nm)的產生圖案之強度分布。進一步，測定從雷射光L1(波長515nm)到紫外雷射光L3(波長258nm)的波長轉換效率。
其結果，於未進行相位調變的狀態之波長轉換效率為12.8%。相對於此，藉由相位調變產生文字圖案「H」時的波長轉換效率為9.2%，產生文字圖案「P」時的波長轉換效率為8.4%，產生文字圖案「K」時的波長轉換效率為8.6%。如該等，經確認由1個文字形成的文字圖案係能產生圖案而不會嚴重損及波長轉換效率。
此外，產生文字圖案「HPK」時的波長轉換效率為1.8%。應藉由SLM給予的相位調變量係隨著產生圖案之複雜度而變大。由3個文字形成的文字圖案「HPK」係起因於空間間距的細微調變使得光的高角度散射成分變多。藉此，在像轉印光學系統30轉送調變雷射光L2時，對波長轉換部20的非線形光學結晶的射入角大的成分之比例增加。
亦即，超過波長轉換時容許的射入角之成分變多，由於該等成分對波長轉換沒有助益，因此認為波長轉換效率降低。如此地，產生圖案變得複雜時，會有因為受到非線形光學結晶的容許角之限制而使得波長轉換效率降低之情形。為了解決這種課題，例如，併用控制程式以限制像是預估到波長轉換效率變成某一定值以下之相位調變為佳。又，例如，於給予既定的相位調變之狀態，以進行波長轉換效率成為最大的非線形光學結晶之角度調整，因此能謀求減輕效率降低。
又，本實施形態係藉由施加菲涅耳透鏡狀的相位調變，而能使紫外雷射L3的聚光位置(成像位置)在 光軸方向僅位移任意距離。這種成像位置之控制係例如在進行3維多點同時加工之際所期望的功能。第8圖係菲涅耳透鏡狀的相位圖案例之示意圖。又，第9圖係使用焦點距離為12m之菲涅耳透鏡的相位圖案進行相位調變之情形，且係顯示點觀察像之示意圖。此外，第9圖中，圖表G11顯示橫軸方向之光強度分布，圖表G12表示縱軸方向之光強度分布。又，該點觀察像係從未進行相位調變時的成像位置起在聚光透鏡側移動22mm之位置所設置之光束剖面儀的觀察像。如第9圖所示，確認到藉由使用菲涅耳透鏡狀的相位圖案進行相位調變，成像位置會在光軸方向變化。
又，第10圖係將從BBO結晶的調變雷射光L2(波長515nm)朝紫外雷射光L3(波長258nm)的波長轉換效率及與菲涅耳透鏡狀的相位圖案的焦點距離之關係，予以作圖之圖表。第10圖中，橫軸代表焦點距離(單位：公尺)，縱軸代表波長轉換效率(單位：%)。如第10圖所示，了解於焦點距離為10m以上時，能得到充分的波長轉換效率。因而，在本構成中，於使用菲涅耳透鏡狀的相位圖案時，焦點距離為10m以上較佳。但是，此適當的焦點距離之範圍當然是根據建構的光學系統而變化。
此外，非線形光學結晶的高諧波轉換，係對光軸在垂直的面內存在有容許角大的軸方向和容許角小的軸方向。因而，藉由僅對容許角大的軸方向進行相位調變，不使波長轉換效率降低，能給予較大的相位調變。作 為這種僅單軸方向進行相位調變的相位圖案之例，有聚焦透鏡和一維繞射光柵。第11圖(a)及第11圖(b)係聚焦透鏡狀的相位圖案之例之示意圖。又，第12圖係一維繞射光柵狀的相位圖案之例之示意圖。
當使用聚焦透鏡狀的相位圖案時，與紫外雷射光L3之光軸方向垂直的剖面之形狀係形成為在單軸方向伸長的直線狀。因而，能有效地進行對大面積的加工對象面之一次加工。又，當使用一維繞射光柵狀的相位圖案時，能將紫外雷射光L3之光軸分歧成複數條，因此適於多點同時加工等用途。如此地，即使於進行僅單軸方向的相位調變之情形，亦能產生對各種加工用途有效的紫外雷射光L3。
第13圖係將使用焦點距離為8m的聚焦透鏡之相位圖案進行相位調變的情形之觀察像之示意圖。此外，第13圖中，圖表G21表示橫軸方向之光強度分布，圖表G22表示縱軸方向之光強度分布。又，此觀察像係於未進行相位調變時，設置在光束徑成為50μm的位置之光束剖面儀的觀察像。如第13圖所示，確認到藉由使用聚焦透鏡狀的相位圖案進行相位調變，能適當地形成具有直線狀剖面形狀之紫外雷射光L3。此外，在與第13圖的橫方向對應的方向，將具有曲率的聚焦透鏡狀的相位圖案進一步寫入反射型SLM14時，相對於觀測到的輪廓之縱方向的光束寬為維持50μm，橫方向的光束寬為伸長至600μm。
第14圖係使用光柵間隔為200μm之二值繞射光柵的相位圖案進行相位調變的情形之觀察像之示意圖。此觀察像係於第3圖所示之成像面46所設置之光束剖面儀觀察到的圖像。如第14圖所示，藉由繞射而出現對應於1次繞射光之2個點P1及P2。該等點P1及P2係從0次位置P0位移到1.3mm左右橫方向的位置所觀測到的。
(變形例)
第15圖係作為上述實施形態之像轉印光學系統30的變形例，像轉印光學系統33的構成之示意圖。此像轉印光學系統33係包含單一透鏡34而構成，藉由該單一透鏡34，將空間光調變部10的相位調變面10a和波長轉換部20之光入射面(波長轉換面)20a以彼此成為共軛系的方式結合。具體而言，透鏡34的焦點距離f、相位調變面10a和透鏡34之距離f1、及透鏡34和波長轉換面20a之距離f2係設定成滿足以下關係式(1)。
光調變裝置1B取代第3圖所示之像轉印光學系統30而具備第15圖所示之像轉印光學系統33亦可。於該情形，亦能適當地得到上述實施形態之效果。
(第2實施形態)
第16圖係本發明之第2實施形態的光調變裝置之構成的概略示意圖。本實施形態之光調變裝置1C係與第1實施形態之光調變裝置1A同樣地，具備空間光調變部10、波長轉換部20及像轉印光學系統30。在光調變裝置1C，與光調變裝置1A不同之處為構成波長轉換部20的非線形光學結晶，係於光入射面一起接收從空間光調變部10輸出的與調變雷射光L2不同的光束L4、與調變雷射光L2，藉由產生調變雷射光L2和光束L4之和頻率或差頻率而產生紫外雷射光L3之處。藉由這種構成，轉換後可利用之波長數增加，並且能有效地避免波長轉換效率之降低。
光束L4較佳為從輸入空間光調變部10之前的雷射光L1使其一部分分歧之光。藉此，使調變雷射光L2和光束L4完全地同步，能適當地產生超短脈衝的紫外雷射光L3。此外，光束L4也可以是在空間光調變部10轉換途中之光。又，亦可將輸入空間光調變部10之前的雷射光L1作為光束L4而轉換成適當的狀態之後利用。
第17圖係作為上述光調變裝置1C的具體例之光調變裝置1D之示意圖。第17圖所示之光調變裝置1D係除了第2圖所示之空間光調變部10、波長轉換部20、像轉印光學系統30、光源41、光束擴展器42及衰減器43以外，還具備光束分光鏡51、反射鏡52a~52d、光束擴展器54、衰減器55(波長板55a及偏光光束分光鏡 55b)、可變光學延遲系統56以及λ/2板57。
光束分光鏡51配置於光源41的超短脈衝雷射光源41a和SHG轉換單元41b之間，且使從超短脈衝雷射光源41a輸出的雷射光L0的一部分分歧。此外，雷射光L0的波長例如1030nm。藉由光束分光鏡51將分歧的一方之雷射光L0藉由光束擴展器54及衰減器55調整成最適當的光束輪廓及光強度，通過可變光學延遲系統56之後再藉由λ/2板57調整成適切的偏光，經由反射鏡52d，作為光束L4射入波長轉換部20的非線形光學結晶。非線形光學結晶係產生利用例如非同軸的和頻產生之波長343nm的紫外雷射光L3。
此處，為了適當地進行波長轉換部20的波長轉換，構成調變雷射光L2的光脈衝和構成光束L4的光脈衝必須在波長轉換部20的非線形光學結晶上，以充分地重疊之程度使兩光路間之光路長成為相同。本實施形態由於是使用超短脈衝，必須精密地進行將光路長調整成相同，因此利用可變光學延遲系統56。此外，於未設置有該可變光學延遲系統56之狀態，將可變光學延遲系統56插入光路長較短的光路為適當，因此，插入雷射光L1或調變雷射光L2的光路中之形態也可以。
第17圖係顯示上述光調變裝置1C之一例，除此以外的構成當然也可以。例如，也可以是將雷射光L1設定為波長1030nm之光，將光束L4設定為波長515nm之光的構成。又，於將雷射光L1設定為波長515nm 的構成中，在利用波長515nm的雷射光L1的一部分作為光束L4時，藉由產生和頻而產生波長258nm的紫外雷射光L3。
根據本實施形態之光調變裝置1C、1D，能達到與上述第1實施形態之光調變裝置1A、1B同樣的效果。又，根據本實施形態，射入非線形光學結晶的紫外雷射光L3及光束L4當中，可將一方之容許角設定成較大。
本發明之波長轉換型空間光調變裝置並不限定於上述實施形態，可做其他各種變形。例如，上述實施形態係例示LCOS型者作為空間光調變部，但本發明之空間光調變部不限定於此。例如，作為空間光調變部，亦可使用能在複數個像素區域各個讓表面形狀改變的區段型MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)鏡。MEMS鏡係使利用各區段的凹凸所形成的表面形狀成為用以將雷射光的波面進行調變的相位圖案。又，作為空間光調變部，亦可使用可變形鏡。可變形鏡其表面形狀成為相位圖案。任何情形皆具有能比使用空間光調變部單體之可調變的波長區獲得更短波長的調變光之特徵。
上述實施形態之波長轉換型空間光調變裝置具備以下構成：空間光調變部，係輸入比紫外區更長的波長區的雷射光，且具有相位調變面，該相位調變面在二維排列的複數區域之各個將雷射光的相位進行調變而產生調變雷射光；波長轉換部，係具有光入射面，該光入射面接收從空間光調變部輸出的調變雷射光，且將調變雷射光的 波長轉換成紫外區的波長；及像轉印光學系統，係將空間光調變部的相位調變面和波長轉換部之光入射面以彼此成為共軛系的方式結合。
又，波長轉換型空間光調變裝置亦可具有以下構成；液晶層，係空間光調變部對應施加電場的大小而將雷射光的相位進行調變；配向膜，係配置於液晶層的兩側；及複數電極，係設置於複數區域之各個，對液晶層施加使施加電場產生的電壓。當紫外雷射光透過這種空間光調變部的液晶層和配向膜，液晶層和配向膜會逐漸地劣化。根據上述波長轉換型空間光調變裝置，係將比紫外區更長的波長區的雷射光輸入空間光調變部，因此對液晶層和配向膜的這種影響減少，並且能適當地輸出空間上經相位調變的紫外雷射光。
又，波長轉換型空間光調變裝置之波長轉換部亦可為包含非線形光學結晶之構成。藉此，能將比紫外區更長的波長區之調變雷射光的波長適當地轉換成紫外區的波長。於該情形，非線形光學結晶亦可藉由產生調變雷射光的高諧波而將雷射光的波長轉換成紫外區的波長。或者，波長轉換部係於光入射面接收與從空間光調變部輸出的調變雷射光不同的光束、以及調變雷射光，使用調變雷射光和上述不同的光束將調變雷射光的波長轉換成紫外區的波長亦可。於該情形，波長轉換部包含非線形光學結晶，藉由產生調變雷射光和光束之和頻或差頻而將調變雷射光的波長轉換成紫外區的波長亦可。此外，上述不同的 光束為從輸入空間光調變部之前的雷射光分歧之光為佳。
又，波長轉換型空間光調變裝置之像轉印光學系統也可以是包含4f光學系統之構成。藉此，能使在空間光調變部的相位調變面賦予雷射光的相位分布適當地轉印至波長轉換部之光入射面。
[產業上之利用可能性]
本發明適用於作為：能輸出空間上經相位調變的紫外雷射光且能減少對空間光調變部之影響的波長轉換型空間光調變裝置。
1A‧‧‧光調變裝置
10a‧‧‧相位調變面
10‧‧‧空間光調變部
20‧‧‧波長轉換部
30‧‧‧像轉印光學系統
L1‧‧‧雷射光
L2‧‧‧調變雷射光
L3‧‧‧紫外雷射光

Claims (8)

  1. 一種波長轉換型空間光調變裝置，其特徵為，具備：空間光調變部，係輸入比紫外線區更長的波長區之雷射光，且具有相位調變面，其用以在二維排列的複數區域之各個將雷射光的相位進行調變而產生調變雷射光；波長轉換部，具有接收從前述空間光調變部輸出的前述調變雷射光之光入射面，且用以將前述調變雷射光的波長轉換成紫外線區的波長；及像轉印光學系統，係將前述空間光調變部的前述相位調變面和前述波長轉換部的前述光入射面，以彼此光學上成為共軛系的方式結合。
  2. 如申請專利範圍第1項之波長轉換型空間光調變裝置，其中，前述空間光調變部具有：對應施加電場的大小而將前述雷射光的相位進行調變之液晶層；配置於前述液晶層的兩側之配向膜；及設置於前述複數區域之各個且將產生前述施加電場的電壓施加於前述液晶層之複數電極。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之波長轉換型空間光調變裝置，其中，前述波長轉換部包含非線形光學結晶。
  4. 如申請專利範圍第3項之波長轉換型空間光調變裝置，其中，前述非線形光學結晶，係藉由產生前述調變雷射光的高諧波而將前述調變雷射光的波長轉換成紫外線區 的波長。
  5. 如申請專利範圍第1項之波長轉換型空間光調變裝置，其中，前述波長轉換部，係於前述光入射面接收與從前述空間光調變部輸出的前述調變雷射光不同的光束、以及前述調變雷射光，利用前述調變雷射光和前述光束將前述調變雷射光的波長轉換成紫外線區的波長。
  6. 如申請專利範圍第5項之波長轉換型空間光調變裝置，其中，前述波長轉換部包含非線形光學結晶，藉由產生前述調變雷射光和前述光束的和頻或差頻而將前述調變雷射光的波長轉換成紫外線區的波長。
  7. 如申請專利範圍第5或6項之波長轉換型空間光調變裝置，其中，前述光束係從輸入前述空間光調變部之前的前述雷射光分歧之光。
  8. 如申請專利範圍第1、2、5或6項之波長轉換型空間光調變裝置，其中，前述像轉印光學系統包含4f光學系統。
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