レーザビーム走査装置
【課題】可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査が可能となるレーザビーム走査装置を提供する。
【解決手段】波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置であって、
前記部分透過型エタロンは、出射角の波長依存性が非線形性を示し、前記波長可変光源の波長を正弦波駆動する構成とする。
【解決手段】波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置であって、
前記部分透過型エタロンは、出射角の波長依存性が非線形性を示し、前記波長可変光源の波長を正弦波駆動する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム走査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザビーム走査装置は、レーザプリンタやＬＩＤＡＲ、加工装置、等の幅広い用途を有している。
従来において、レーザビーム走査装置の機構は機械的なものと電気的なものに大別できる。
前者のものとしては、ガルバノスキャナーやポリゴンミラーなどバルキーなものが多いが、最近では微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のような小型なものも研究開発されてきている。
また、後者のものとしては、音響光学素子や電気光学素子を用いたものが知られている。
【０００３】
以上のうち、電気的なものは可動部品を必要としないという点で、信頼性、スピードの面で魅力的ではあるが、一方では課題も有している。
音響光学素子を用いるものは、回折効率が一般的に低い。その原因は振り角のダイナミックレンジを決める音響波のビームフォーミングと回折効率の間にトレードオフがあることである。
また、電気光学素子を用いるものは、電気光学定数が基本的に小さい物理量であるため、現状の素子デザインでは半波長電圧として〜数ｋＶは印加する必要がある。
【０００４】
従来において、以上のような課題を克服する手法として、フォトニック結晶を利用した方法が提案されている。
これらは、端的には透過型グレーティングに波長可変レーザを適用したものであると言える。
具体的には、ある入射角に対して、角度方向に分光機能をもったデバイスを適用することによって、例えば、特許文献１のように、ある走査軸に対して可動部品を必要とせずにスキャナー機能を有する手段を構成するようにしたものが提案されている。
また、フォトニック結晶のデザインを適正化することによって、スーパープリズム効果を利用して、例えば、特許文献２のように、僅かな波長変化を大きな偏向角に転換するようにした光走査装置が提案されている。
一方、特許文献３に開示されているような、フォトニック結晶の代わりに、全反射鏡と部分反射鏡を用いて、遅延を与えたビームアレイを生成するようにしたバーチャル・イメージ・フェーズ・アレイ（ＶＩＰＡ）と、
波長可変光源を組み合わせ、ビーム走査する装置が提案されている（特許文献４）。
【特許文献１】米国特許第５２０４５２３号明細書
【特許文献２】特開２００３−１４９４１９号公報
【特許文献３】特開平１１−２２３７４５号公報
【特許文献４】特開２００６−３２３１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記したフォトニック結晶の分光能を利用してビーム走査をするようにした従来例における装置では、光源とビーム走査系を一体化してモノリシックにできる一方で、高度なデバイス技術を必要とする。
そのため、技術的なハードルは高く、また、構造制御を利用しているため、近赤外域では適用可能であっても、短波長である紫外域では適用が実質的に難しい。このため、細胞レベルのマイクロサージェリー、紫外線による透明媒質の改質加工、等の応用には不適であった。
さらに、角度分散の起源が、フォトニック結晶の構造の異方性によるため、本質的に偏波依存性が強く、線形性が悪いという課題を有している。
また、上記した位相アレイ（ＶＩＰＡ）を用いてビーム走査をするようにした従来例における装置では、ビーム走査角のダイナミックレンジが非常に狭い（〜１°）という課題を有している。
そのため、コンパクトでかつダイナミックレンジの大きいビーム走査が必要な、例えばプリンターの応用などには不適であった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査が可能となるレーザビーム走査装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、次のように構成したレーザビーム走査装置を提供するものである。本発明のレーザビーム走査装置は、波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置であって、
前記部分透過型エタロンは、出射角の波長依存性が非線形性を示し、前記波長可変光源の波長を正弦波駆動することを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記部分透過型エタロンの副次的な回折成分をモニタする光検出手段を、更に有することを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記部分透過型エタロンは、全反射膜と部分透過膜との間に設けられたスペーサ層を備え、該スペーサ層に屈折率分布を有することを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記正弦波駆動による波長可変光源には、振幅変調器が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記正弦波駆動による波長可変光源と前記部分透過型エタロンとの間には、光増幅器が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記部分透過型エタロンは、吸収端が波長２００ｎｍ以下の材質のもので構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査が可能となる。
また、本発明によれば、波長の走査範囲は感光体の吸収プロファイルに比べ十分に狭いので、感光体の波長依存性を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、上記構成により、可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査を可能とし、本発明の課題を達成したものであるが、それは本発明者らのつぎのような知見に基づくものである。
波長可変光源を高速変調する場合、正弦波駆動をすると好都合である。なぜなら、如何なる変調関数のプロファイルも三角関数で合成できるからである。
これは分散チューニング（実施例２）のような変調メカニズムの応答が速い波長可変光源に対してはあてはまる。
多電極半導体レーザ（実施例１）は一般に鋸波状のプロファイルが用いられるが、これは注入されるキャリアのダイナミクスがチャープを引き起こす可能性があるからである。
しかし、本発明では波長走査範囲は狭く、またレーザの線幅程度の速度でしか波長掃引しないので、上述の正弦波駆動が好都合ということになる。
そのため、正弦波上に変化する波長に対して、線形なビーム走査を可能にするデバイスが必要となる。
本発明はこのようなデバイスとして、正弦波駆動による波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、
前記正弦波駆動による波長可変光源のレーザビームの波長に対し、線形性を有するビーム走査が可能となるレーザビーム走査装置を、つぎのように構成したものである。
本発明は、部分透過型エタロンの出射角の波長依存性が非線形性を示すようにすることで、
前記正弦波駆動による波長可変光源のレーザビームの波長に対し、ビーム出射角が時間に対して略線形に変化することを利用したものである。
すなわち、本発明は、上記波長可変光源のビームを集光して入射することにより生じる、該エタロンの出射角の波長依存性を利用して、
可動部品を必要とせず、高速でかつ高い線形性を有するビーム走査を可能とするレーザビーム走査装置を構成したものである。
【００１０】
つぎに、本発明の実施形態における正弦波駆動による高速波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置について説明する。
まず、本発明の実施形態におけるレーザビーム走査装置の角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンについて説明する。
物理的な偏向のメカニズムとして、レーザの波長を掃引し、ある入射角において波長によって出射角が異なる媒質、またはデバイス（分光デバイス）に照射することを考える。出射角の変化量Δｑは、つぎの（１）式で示される。
【００１１】
ここで、以下に示す角度分散と呼ばれる物理量は、分光デバイスのデザインで決まる。
【００１２】
Δλはレーザの離調であり、時間の関数である。すなわち角度分散の大きいデバイスを波長掃引幅の広いレーザで照射すれば、偏向角Δθを大きくできる。
また、波長掃引を高速に行えば、それに比例して高速なビーム走査が可能となる。
角度分散の大きいデバイスとして、従来においてはグレーティングやプリズムが知られている。
前述のスーパープリズムの角度分散は〜０．０８７ｒａｄ／ｎｍ程度である。
このようなスーパープリズム効果については、例えば、非特許文献であるＫ．Ｈｏｓａｋａ， ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．７４， ｐｐ．１３７０−１３７２ （１９９９）に開示されている。
部分透過型エタロンを用いても、上記スーパープリズムと同等以上の角度分散が得られる。
【００１３】
その詳細について、つぎに説明する。
図１に、本発明の実施形態におけるレーザビーム走査装置の角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンの原理を説明するための図を示す。
全反射膜コーティング１００は入射部をはずしてコーティングされており、部分透過膜１０１と共にスペーサ層１０２をサンドイッチする構造になっている。
入射面に角度θ０で入射された光は屈折され、部分透過面に角度θｉｎで入射する。
ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）の位相整合条件と同様に考えると、図中の光路ＡＢＣと光路ＡＤの位相差が２πの整数倍となる角度が出射角θｏｕｔとして選択される。
このことから、エタロンの屈折率ｎｅ、厚みをｔとして、つぎの（２）式のような分散式が求まる。
【００１４】
ここでｍは任意の整数、ｋ（＝２π／λ）は入射光の波数である。
これを用いて、ある入射条件、次数に対する出射角θｏｕｔを求めることができる。
なお、これらの式には、エタロン内でのコーティングの位相応答が考慮されていないが、現実的なエタロンの厚みに対しては、これらの寄与分は位相遅れに比して十分に小さいので無視できる。
角度分散を求めるには上式を波長で微分すればよい。例えば、８５０ｎｍにおいて、ｔ＝５０μｍ、θｉｎ＝３°としたときの角度分散は〜０．１となり、スーパープリズムと比して遜色のない値となる。
【００１５】
本実施形態における角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンは、上記した図１に示されているように全反射膜と部分透過膜と、これらの間に設けられたスペーサ層とを備えている。
この部分透過型エタロンは、バーチャル・イメージ・フェーズ・アレイ（ＶＩＰＡ）の基本構成を備えた多光波干渉デバイスであるので、フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）が存在する。
本実施形態における部分透過型エタロンのＦＳＲとは、具体的には上記（２）式において、隣あう次数ｍとｍ＋１の周波数間隔である。
これは上記（２）式より、つぎの（３）式のようになる。
【００１６】
すなわち、ＦＳＲは基本的にエタロンの厚みで決まり、十分に広いＦＳＲを確保するには十分に薄くする必要がある。
一方、図１の入射部において、１回反射したビームが全反射膜に到達する必要がある。また、多重反射されるビームのスポット径が、点光源として機能するように、それぞれが空間的に分離している必要がある。
このため、集光ビーム径をｗとすると、つぎの（４）式のようになる必要があるので、薄くできるエタロンの厚みは、実質的にビームのスポットサイズによって制限される。
ｗ＜２ｎeｔ ｔａｎθin （４）
例えば、ｎｅ＝１．４５，ｔ＝５０μｍのとき、波長８５０ｎｍにおいてＦＳＲは〜７ｎｍ程度であり、θｉｎ〜３°とするとｗ＜７．５μｍとなる。
しかし、エタロンの厚みの制約によって、生成される副次的な回折成分（異なるｍのオーダーに対するビーム）は、高速なビーム走査系を実現するのに好都合な結果をもたらす。これらについては後の実施例において詳述する。
なお、（２）式から明らかなように、部分透過型エタロンの角度分散は波長に対して非線形な関数となる。このため、フリースペクトルレンジを所定の値とすることで、正弦波駆動による高速波長可変光源のレーザビームの波長に対し、線形性を有するビーム走査を可能とすることができる。
【００１７】
なお、部分透過型エタロンは斜入射で使わない限り偏波依存性は現れない。
実際に用いるのはθ０〜０近傍であるため、本質的に偏波無依存であり、スーパープリズムと比して、より様々な波長可変光源に適用できるという特徴がある。部分透過型エタロンを上述のような厚み（ｔ〜５０μｍ）で使用する場合、部分透過型エタロンは片側クラッド端面で漏れ損失の大きいマルチモード光導波路となっているとみなすことができる。
一般に導波損失が空間的な関数であった場合、導波モードの強度分布は全反射面側に偏りを持ちやすい。
これを補償するためには、図２のスペーサ部の屈折率変調によるモード分布と出射光の振幅の関係を示す図のように、部分透過膜の反射率を導波方向にチャープさせると共に、全反射膜側の屈折率分布が相対的に低くなるようにする。
これによって、部分透過膜上の光強度分布は、例えばガウス型にすることができ、結像面においてアスペクト比のよいスポットが得られる。通常の部分透過型エタロンを用いて得られる指数関数的な光強度分布よりもアスペクト比が改善できるのは、そのフーリエ変換を考えると明らかである。
また、部分透過膜の透過率を空間的にチャープさせることによっても、同等の効果を得ることができる。
【００１８】
また、本実施形態において、更につぎのように構成することができる。
本実施形態においては、回折主成分と異なる次数である副次的な回折成分のビームによって、ビームの出射角を光検出手段によってモニタし、補正することができる。
その際、広い走査角を達成し、集光時のアスペクト比を向上させるには、部分透過型エタロン内部のスペーサ層を導波路とみなしたときの、特定のモードを励起することが望ましい。
また、本実施形態においては、部分透過型エタロンにおける全反射膜と部分透過膜との間のスペーサ層に屈折率分布を設けることで、モード分布を制御し、出力ビームを集光したときのアスペクト比を向上させることができる。
また、本実施形態においては、正弦波駆動による高速波長可変光源に振幅変調器を設けることによって、任意の点でビーム強度の制御が可能になる。
なお、高速ビーム走査を行うにあたっては、単位時間あたりの固定スポットへの照射量が減るので、高出力なレーザが必須となる。
しかしながら、一般に、正弦波駆動による半導体高速波長可変光源の出力は数ｍＷ程度である。
そこで、本実施の形態においては、光増幅器を部分透過型エタロンと正弦波駆動による高速波長可変光源の間に設けることで、更なる高速ビーム走査を可能にすることができる。
また、本実施形態においては、部分透過型エタロンに適切な材料を用いることにより、例えば、吸収端が２００ｎｍ以下の材質のものを用いることにより、短波長光源、例えば青色レーザダイオードの出力に対しても容易にビーム走査系を構成することが可能となる。
また、フォトニック結晶を用いたものに比べ、構成が簡易であるため、安価に作製することが可能となる。
【実施例】
【００１９】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、光源として、多電極型の分布ブラッグ（ＤＢＲ）−レーザダイオード（ＬＤ）を用いた、可動部品を必要としない高速ビームスキャナーについて説明する。
図３に、本実施例の高速ビームスキャナーの構成を説明するための図を示す。
図３において、４００は多電極型ＤＢＲ−ＬＤによる光源、４０１は電界吸収型変調器（ＥＡＭ）、４０２は電流ドライバー、４０３は波形整形器である。
４０４はファイバーピッグテール、４０５は非球面レンズ、４０６はシリンドリカルレンズ、４０７は部分透過型エタロン、４０８は結像光学系、４０９は感光ドラム、４１０は光検出器である。
【００２０】
本実施例において、多電極型ＤＢＲ−ＬＤによる光源４００には、波長が８５０ｎｍによるＧａＡｓベースの、多電極型ＤＢＲ−ＬＤが用いられる。
上記ＬＤは、キャリア注入による屈折率制御によって、発振波長は〜５ｎｍ可変であり、２０ＭＨｚの繰り返しで周期的に掃引できるように構成される。
アクティブな領域だけでなく、ＤＢＲ領域、及び位相領域に注入する信号を、電流ドライバー４０２から供給し、それらは別個に波形整形器４０３を用いて調整されている。出力波長は正弦波状に変化する。
なお、より広い波長域を掃引したい場合には、ＤＢＲ／ＤＦＢ構造の代わりにスーパーストラクチャーグレーティングを有するＬＤを利用してもよい。
これにより、さらに広範囲な波長掃引（〜５０ｎｍ）が可能である。
【００２１】
ＤＢＲ−ＬＤの出力カップラーには電界吸収型変調器（ＥＡＭ：帯域〜１０ＧＨｚ）４０１が、導波路を介して接続されており、レーザ光は最終的にファイバーピッグテール４０４に導光される。
このＥＡＭ４０１は、デジタル信号と波形整形器４０３からの制御信号が重畳されて駆動される。
この制御信号にはレーザダイオードの出力モニタに基づく振幅制御信号、および部分透過型エタロンの副次的な回折成分からのタイミング制御信号が帰還されている。
電界吸収型の変調器は上記の多電極型ＬＤにモノリシックに集積することで、小型のデバイスが得られる。
また、上記のようにシングルモードファイバで接続する場合は、ＬｉＮｂＯ３のような電気光学効果を用いたデバイスを用いてもよい。
【００２２】
ファイバからのビームは非球面レンズ４０５を用いて〜１ｍｍのビーム径にコリメートされる。
このビームをｆ＝１．５ｍｍのシリンドリカルレンズ４０６で３°傾けた部分透過型エタロン４０７に入射される。回折主成分は結像光学系４０８を介して感光ドラム４０９に結像される。
なお、エタロン入射部での集光径は〜３μｍであり、ビームの空間的な広がりは、後述のＦＳＲの角度範囲よりも大きくなるため、わずかながら副次的な回折成分が生じる理由となっている。
副次的な回折成分は波長が確定するようにスリットなどを介して光検出手段である光検出器４１０で検出され、強度、およびタイミングの情報を波形整形器４０３にフィードバックしている。
従来のビーム走査方式と異なり、結像光学系におけるビームの｀蹴られ´を利用する必要がないので、ビーム走査角度を余分に大きくする必要はない。
なお、これらのフィードバック用の信号はアレイ状の検出器を利用してもよいし、回折主成分を跨ぐ形で両側に配置してもよい。
【００２３】
部分透過型エタロンは、全反射膜（Ｒ＝９９．９％、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の積層）と、部分透過膜（Ｒ＝９６％、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の積層）と、これらの間に設けられたスペーサ層（５０μｍ厚のＴｉＯ２）と、によって構成されている。
本実施例においてはエタロンの内部入射角は〜１．３６°であるので、当然のことながら、偏光依存性はほぼ有していない。
入射部（２ｍｍ厚）は単層ＡＲコートされており、エタロンは５ｍｍφのフレームに固定されている。
入射部においては、ビームの集光が十分小さいため（〜３μｍ）、ビームの蹴られは無視できる。
なお、これらの構成材料は使用波長において光学的に透明であればよく、例えばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、フッ化物ポリマーなどを用いることで、紫外域まで使用可能である。
さらに、部分透過膜の反射率を空間的にチャープさせるために、例えばスパッタリングにおいて、スペーサ層が時間的に移動する機構を設け、部分透過膜の膜厚を空間的に制御してもよい。
また、ＵＶ光照射によって屈折率分布を誘起することや、ポリマーをスペーサ層に用いる場合には、ポリマーファイバなどに利用される屈折率分布形成技術を利用することで、適切な屈折率分布を設けてもよい。
これらによって、結像面上でのスポットのアスペクト比を改善することができ、ビーム強度を制御する変調器への負荷を軽減できる。
本実施例において、部分透過型エタロンのＦＳＲは〜７ｎｍであるので、±１．６ｎｍの波長範囲でレーザ波長を掃引すれば、他の次数とオーバーラップすることはない。これに対応する掃引角度範囲は〜２０°となる。
【００２４】
図４に、本実施例における部分透過型エタロンの角度分散を示す。
角度分散は８５０ｎｍ近傍で〜０．１１ｒａｄ／ｎｍ程度になっており、中心波長から離れるに従って線形ではなくなる。
しかし、この特性によって、波長掃引を正弦波状に駆動することによって、ビーム走査の出射角度が時間に対して線形な関係となる。
なぜならば、波長変動がゆるやかな瞬間において、角度分散が大きな値を取るからである。
線形性の低い部分では光検出器４１０からのフィードバック信号に同期してＥＡＭ４０１を振幅変調してもよい。
図５に、出力波長（Ａ）、光検出器４１０の結像面における出力ビームスポット位置（Ｂ）の経時的変化を示す。
併せて、線形性の低いエッジ部でビームを遮断するための光検出器４１０からの信号（Ｃ、Ｄ）の経時的変化を示す。
部分透過型エタロンの出射角の波長依存性を反映して、ビームスポットの等速度性が向上することがわかる。
以上の本実施例の構成によれば、シンプルな構成で、可動部がなく、高速スキャンレート（＞２０ＭＨｚ）で、高い線形性、等速度性を有するスキャナーを構成することができる。
【００２５】
［実施例２］
実施例２では、紫外域で動作する、稼動部品を必要としない高速ビームスキャナーについて説明する。
本実施例では、光源として１．０６μｍの偏波保持Ｙｂ添加ファイバ光源をベースに、２６６ｎｍに波長変換された紫外光源のスキャナーの構成例について説明する。
図６に、本実施例の紫外域で動作するスキャナーの構成を説明するための図を示す。
図６において、８００はＹｂファイバ、８０１はシングルモードＬＤ、８０２はＷＤＭ、８０３は１３ｄＢカップラー、８０４は電気光学変調器、８０５はアイソレータである。
８０６はコア励起のＹｂファイバ増幅器、８０７はクラッド励起のＹｂ添加ファイバ増幅器、８０８はＰＰＬＮ、８１０はハーモニックセパレータ、８１１はＢＢＯ結晶、８１２はシリンドリカルレンズ、８１３は部分透過型エタロンである。
【００２６】
本実施例において、基本波の光源として、分散チューニングされたモード同期光源を用いる。
共振器はＹｂファイバ８００を含む９０ｍの偏波保持ファイバリングからなり、モード間隔は〜２．３ＭＨｚである。
Ｙｂ添加ファイバ長（カットオフ波長９２０ｎｍ、Ｙｂ３＋添加濃度２０００ｐｐｍ ）は７０ｃｍで、９８０ｎｍシングルモードＬＤ８０１（〜１００ｍＷ）でＷＤＭ８０２経由で励起される。
出力カップラーは１３ｄＢカップラー８０３である。
ＬｉＮｂＯ３の電気光学変調器（ＥＯ）８０４により強度変調し、〜１ＧＨｚ付近で分散チューニングされるようになっている。
すなわち、レーザの出力波長はＥＯに印加するＲＦ信号のダイナミックな変化に追従し、掃引される。
チューニング感度は〜４０ｎｍ／ＭＨｚである。
例えば１．０００ＧＨｚから１．００１ＧＨｚに線形に周波数掃引することで、１０３０〜１０８０ｎｍの波長範囲を波長スイープできるので、これに任意の繰り返し周波数で変調した信号をＥＯに印加すると波長掃引の周波数が決まる。
繰り返し周波数は最高で１００ｋＨｚである。
【００２７】
出力をコア励起のＹｂファイバ増幅器８０６、クラッド励起のＹｂ添加ファイバ増幅器８０７で順次増幅し、〜１５Ｗの出力を得る。
偏波保持ファイバの出射角に注意して、これを温度制御されたＰＰＬＮ８０８に入射し、〜１．５Ｗの５３２ｎｍに波長変換する。
振幅制御用の音響光学変調器８１４を通してハーモニックセパレータ８１０を通した後、再度ＢＢＯ結晶８１１に入射し、〜５０ｍＷの２６６ｎｍを得る。
この２６６ｎｍの波長変換光を１ｍｍにコリメートし、図４と同様にシリンドリカルレンズ８１２（ｆ〜１ｍｍ）を用いて以下の特性をもつ部分透過型エタロン８１３の入射端に入射する。
【００２８】
本実施例における部分透過型エタロンは、１０μｍ厚のＡｌ２Ｏ３からなるスペーサ層、Ｒ＝９９．８％ の全反射鏡（Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２誘電体多層膜４０層）、Ｒ＝９６．２％の部分反射鏡 （Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２誘電体多層膜２０層）から構成される。
図７に、部分透過型エタロンの出射角と波長分散の波長依存特性を説明するための図を示す。
そこには、入射角を３°としたときの応答を計算したものが示されている。
ＦＳＲは〜１．８ｎｍであり、角度分散は〜０．２５ｒａｄ／ｎｍであるが、本実施例では短波長なのでビームの有限な広がり（〜１２．５°）によって、角度の振れ幅は限定される。
しかしながら、光源の基本波は波長幅として〜４ｎｍの範囲を掃引すれば十分であり、高効率で所望の次数にパワーを入射することが可能で、さらに離調範囲がＦＳＲよりも十分狭いために、波長に対する出射角の線形性は非常によい。
十分なＦＳＲを利用するためには、部分透過型エタロンへの集光光学系の収差を低減することで対応できる。
本実施例の光源に対して、正弦的な波長掃引を行う場合には、入射角度を変えて、出射角の時間変化依存性の線形性を高めることができる。
上記のシステムは結像光学系を有する改質加工機に搭載されており、ラインスキャンをベースとするサブミクロンオーダーのパターニングや改質加工に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態におけるレーザビーム走査装置の角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンの位相差の関係を説明するための図。
【図２】本発明の実施形態におけるスペーサ部の屈折率変調によるモード分布と出射光の振幅の関係を示す図。
【図３】本発明の実施例１における高速ビームスキャナーの構成を説明するための概略図。
【図４】本発明の実施例１における部分透過型エタロンの角度分散を示す図。
【図５】本発明の実施例１における出力波長（Ａ）、ビームスポット位置（Ｂ）、光検出器からのトリガー信号（Ｃ、Ｄ）の経時的変化を示す図。
【図６】本発明の実施例２における紫外域で動作するスキャナーの構成を説明するための概略図。
【図７】本発明の実施例２における部分透過型エタロンの出射角と波長分散の波長依存特性を説明するための図。
【符号の説明】
【００３０】
１００：全反射膜
１０１：部分透過膜
１０２：スペーサ層
４００：多電極型ＤＢＲ−ＬＤによる光源
４０１：電界吸収型変調器
４０２：電流ドライバー
４０３：波形整形器
４０４：ファイバピッグテール
４０５：非球面レンズ
４０６：シリンドリカルレンズ
４０７：部分透過型エタロン
４０８：結像光学系
４０９：感光ドラム
４１０：光検出器
８００：Ｙｂファイバ
８０１：シングルモードＬＤ
８０２：ＷＤＭ
８０３：１３ｄＢカップラー
８０４：電気光学変調器
８０５：アイソレータ
８０６：コア励起のＹｂファイバ増幅器
８０７：クラッド励起のＹｂ添加ファイバ増幅器
８０８：ＰＰＬＮ
８１０：ハーモニックセパレータ
８１１：ＢＢＯ結晶
８１２：シリンドリカルレンズ
８１３：部分透過型エタロン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム走査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザビーム走査装置は、レーザプリンタやＬＩＤＡＲ、加工装置、等の幅広い用途を有している。
従来において、レーザビーム走査装置の機構は機械的なものと電気的なものに大別できる。
前者のものとしては、ガルバノスキャナーやポリゴンミラーなどバルキーなものが多いが、最近では微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のような小型なものも研究開発されてきている。
また、後者のものとしては、音響光学素子や電気光学素子を用いたものが知られている。
【０００３】
以上のうち、電気的なものは可動部品を必要としないという点で、信頼性、スピードの面で魅力的ではあるが、一方では課題も有している。
音響光学素子を用いるものは、回折効率が一般的に低い。その原因は振り角のダイナミックレンジを決める音響波のビームフォーミングと回折効率の間にトレードオフがあることである。
また、電気光学素子を用いるものは、電気光学定数が基本的に小さい物理量であるため、現状の素子デザインでは半波長電圧として〜数ｋＶは印加する必要がある。
【０００４】
従来において、以上のような課題を克服する手法として、フォトニック結晶を利用した方法が提案されている。
これらは、端的には透過型グレーティングに波長可変レーザを適用したものであると言える。
具体的には、ある入射角に対して、角度方向に分光機能をもったデバイスを適用することによって、例えば、特許文献１のように、ある走査軸に対して可動部品を必要とせずにスキャナー機能を有する手段を構成するようにしたものが提案されている。
また、フォトニック結晶のデザインを適正化することによって、スーパープリズム効果を利用して、例えば、特許文献２のように、僅かな波長変化を大きな偏向角に転換するようにした光走査装置が提案されている。
一方、特許文献３に開示されているような、フォトニック結晶の代わりに、全反射鏡と部分反射鏡を用いて、遅延を与えたビームアレイを生成するようにしたバーチャル・イメージ・フェーズ・アレイ（ＶＩＰＡ）と、
波長可変光源を組み合わせ、ビーム走査する装置が提案されている（特許文献４）。
【特許文献１】米国特許第５２０４５２３号明細書
【特許文献２】特開２００３−１４９４１９号公報
【特許文献３】特開平１１−２２３７４５号公報
【特許文献４】特開２００６−３２３１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記したフォトニック結晶の分光能を利用してビーム走査をするようにした従来例における装置では、光源とビーム走査系を一体化してモノリシックにできる一方で、高度なデバイス技術を必要とする。
そのため、技術的なハードルは高く、また、構造制御を利用しているため、近赤外域では適用可能であっても、短波長である紫外域では適用が実質的に難しい。このため、細胞レベルのマイクロサージェリー、紫外線による透明媒質の改質加工、等の応用には不適であった。
さらに、角度分散の起源が、フォトニック結晶の構造の異方性によるため、本質的に偏波依存性が強く、線形性が悪いという課題を有している。
また、上記した位相アレイ（ＶＩＰＡ）を用いてビーム走査をするようにした従来例における装置では、ビーム走査角のダイナミックレンジが非常に狭い（〜１°）という課題を有している。
そのため、コンパクトでかつダイナミックレンジの大きいビーム走査が必要な、例えばプリンターの応用などには不適であった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査が可能となるレーザビーム走査装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、次のように構成したレーザビーム走査装置を提供するものである。本発明のレーザビーム走査装置は、波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置であって、
前記部分透過型エタロンは、出射角の波長依存性が非線形性を示し、前記波長可変光源の波長を正弦波駆動することを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記部分透過型エタロンの副次的な回折成分をモニタする光検出手段を、更に有することを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記部分透過型エタロンは、全反射膜と部分透過膜との間に設けられたスペーサ層を備え、該スペーサ層に屈折率分布を有することを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記正弦波駆動による波長可変光源には、振幅変調器が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記正弦波駆動による波長可変光源と前記部分透過型エタロンとの間には、光増幅器が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のレーザビーム走査装置は、前記部分透過型エタロンは、吸収端が波長２００ｎｍ以下の材質のもので構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査が可能となる。
また、本発明によれば、波長の走査範囲は感光体の吸収プロファイルに比べ十分に狭いので、感光体の波長依存性を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、上記構成により、可動部品を必要とせず、短波長光源にも適用することができ、高速でかつ良好な線形性により、広い走査角でビーム走査を可能とし、本発明の課題を達成したものであるが、それは本発明者らのつぎのような知見に基づくものである。
波長可変光源を高速変調する場合、正弦波駆動をすると好都合である。なぜなら、如何なる変調関数のプロファイルも三角関数で合成できるからである。
これは分散チューニング（実施例２）のような変調メカニズムの応答が速い波長可変光源に対してはあてはまる。
多電極半導体レーザ（実施例１）は一般に鋸波状のプロファイルが用いられるが、これは注入されるキャリアのダイナミクスがチャープを引き起こす可能性があるからである。
しかし、本発明では波長走査範囲は狭く、またレーザの線幅程度の速度でしか波長掃引しないので、上述の正弦波駆動が好都合ということになる。
そのため、正弦波上に変化する波長に対して、線形なビーム走査を可能にするデバイスが必要となる。
本発明はこのようなデバイスとして、正弦波駆動による波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、
前記正弦波駆動による波長可変光源のレーザビームの波長に対し、線形性を有するビーム走査が可能となるレーザビーム走査装置を、つぎのように構成したものである。
本発明は、部分透過型エタロンの出射角の波長依存性が非線形性を示すようにすることで、
前記正弦波駆動による波長可変光源のレーザビームの波長に対し、ビーム出射角が時間に対して略線形に変化することを利用したものである。
すなわち、本発明は、上記波長可変光源のビームを集光して入射することにより生じる、該エタロンの出射角の波長依存性を利用して、
可動部品を必要とせず、高速でかつ高い線形性を有するビーム走査を可能とするレーザビーム走査装置を構成したものである。
【００１０】
つぎに、本発明の実施形態における正弦波駆動による高速波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置について説明する。
まず、本発明の実施形態におけるレーザビーム走査装置の角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンについて説明する。
物理的な偏向のメカニズムとして、レーザの波長を掃引し、ある入射角において波長によって出射角が異なる媒質、またはデバイス（分光デバイス）に照射することを考える。出射角の変化量Δｑは、つぎの（１）式で示される。
【００１１】
ここで、以下に示す角度分散と呼ばれる物理量は、分光デバイスのデザインで決まる。
【００１２】
Δλはレーザの離調であり、時間の関数である。すなわち角度分散の大きいデバイスを波長掃引幅の広いレーザで照射すれば、偏向角Δθを大きくできる。
また、波長掃引を高速に行えば、それに比例して高速なビーム走査が可能となる。
角度分散の大きいデバイスとして、従来においてはグレーティングやプリズムが知られている。
前述のスーパープリズムの角度分散は〜０．０８７ｒａｄ／ｎｍ程度である。
このようなスーパープリズム効果については、例えば、非特許文献であるＫ．Ｈｏｓａｋａ， ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．７４， ｐｐ．１３７０−１３７２ （１９９９）に開示されている。
部分透過型エタロンを用いても、上記スーパープリズムと同等以上の角度分散が得られる。
【００１３】
その詳細について、つぎに説明する。
図１に、本発明の実施形態におけるレーザビーム走査装置の角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンの原理を説明するための図を示す。
全反射膜コーティング１００は入射部をはずしてコーティングされており、部分透過膜１０１と共にスペーサ層１０２をサンドイッチする構造になっている。
入射面に角度θ０で入射された光は屈折され、部分透過面に角度θｉｎで入射する。
ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）の位相整合条件と同様に考えると、図中の光路ＡＢＣと光路ＡＤの位相差が２πの整数倍となる角度が出射角θｏｕｔとして選択される。
このことから、エタロンの屈折率ｎｅ、厚みをｔとして、つぎの（２）式のような分散式が求まる。
【００１４】
ここでｍは任意の整数、ｋ（＝２π／λ）は入射光の波数である。
これを用いて、ある入射条件、次数に対する出射角θｏｕｔを求めることができる。
なお、これらの式には、エタロン内でのコーティングの位相応答が考慮されていないが、現実的なエタロンの厚みに対しては、これらの寄与分は位相遅れに比して十分に小さいので無視できる。
角度分散を求めるには上式を波長で微分すればよい。例えば、８５０ｎｍにおいて、ｔ＝５０μｍ、θｉｎ＝３°としたときの角度分散は〜０．１となり、スーパープリズムと比して遜色のない値となる。
【００１５】
本実施形態における角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンは、上記した図１に示されているように全反射膜と部分透過膜と、これらの間に設けられたスペーサ層とを備えている。
この部分透過型エタロンは、バーチャル・イメージ・フェーズ・アレイ（ＶＩＰＡ）の基本構成を備えた多光波干渉デバイスであるので、フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）が存在する。
本実施形態における部分透過型エタロンのＦＳＲとは、具体的には上記（２）式において、隣あう次数ｍとｍ＋１の周波数間隔である。
これは上記（２）式より、つぎの（３）式のようになる。
【００１６】
すなわち、ＦＳＲは基本的にエタロンの厚みで決まり、十分に広いＦＳＲを確保するには十分に薄くする必要がある。
一方、図１の入射部において、１回反射したビームが全反射膜に到達する必要がある。また、多重反射されるビームのスポット径が、点光源として機能するように、それぞれが空間的に分離している必要がある。
このため、集光ビーム径をｗとすると、つぎの（４）式のようになる必要があるので、薄くできるエタロンの厚みは、実質的にビームのスポットサイズによって制限される。
ｗ＜２ｎeｔ ｔａｎθin （４）
例えば、ｎｅ＝１．４５，ｔ＝５０μｍのとき、波長８５０ｎｍにおいてＦＳＲは〜７ｎｍ程度であり、θｉｎ〜３°とするとｗ＜７．５μｍとなる。
しかし、エタロンの厚みの制約によって、生成される副次的な回折成分（異なるｍのオーダーに対するビーム）は、高速なビーム走査系を実現するのに好都合な結果をもたらす。これらについては後の実施例において詳述する。
なお、（２）式から明らかなように、部分透過型エタロンの角度分散は波長に対して非線形な関数となる。このため、フリースペクトルレンジを所定の値とすることで、正弦波駆動による高速波長可変光源のレーザビームの波長に対し、線形性を有するビーム走査を可能とすることができる。
【００１７】
なお、部分透過型エタロンは斜入射で使わない限り偏波依存性は現れない。
実際に用いるのはθ０〜０近傍であるため、本質的に偏波無依存であり、スーパープリズムと比して、より様々な波長可変光源に適用できるという特徴がある。部分透過型エタロンを上述のような厚み（ｔ〜５０μｍ）で使用する場合、部分透過型エタロンは片側クラッド端面で漏れ損失の大きいマルチモード光導波路となっているとみなすことができる。
一般に導波損失が空間的な関数であった場合、導波モードの強度分布は全反射面側に偏りを持ちやすい。
これを補償するためには、図２のスペーサ部の屈折率変調によるモード分布と出射光の振幅の関係を示す図のように、部分透過膜の反射率を導波方向にチャープさせると共に、全反射膜側の屈折率分布が相対的に低くなるようにする。
これによって、部分透過膜上の光強度分布は、例えばガウス型にすることができ、結像面においてアスペクト比のよいスポットが得られる。通常の部分透過型エタロンを用いて得られる指数関数的な光強度分布よりもアスペクト比が改善できるのは、そのフーリエ変換を考えると明らかである。
また、部分透過膜の透過率を空間的にチャープさせることによっても、同等の効果を得ることができる。
【００１８】
また、本実施形態において、更につぎのように構成することができる。
本実施形態においては、回折主成分と異なる次数である副次的な回折成分のビームによって、ビームの出射角を光検出手段によってモニタし、補正することができる。
その際、広い走査角を達成し、集光時のアスペクト比を向上させるには、部分透過型エタロン内部のスペーサ層を導波路とみなしたときの、特定のモードを励起することが望ましい。
また、本実施形態においては、部分透過型エタロンにおける全反射膜と部分透過膜との間のスペーサ層に屈折率分布を設けることで、モード分布を制御し、出力ビームを集光したときのアスペクト比を向上させることができる。
また、本実施形態においては、正弦波駆動による高速波長可変光源に振幅変調器を設けることによって、任意の点でビーム強度の制御が可能になる。
なお、高速ビーム走査を行うにあたっては、単位時間あたりの固定スポットへの照射量が減るので、高出力なレーザが必須となる。
しかしながら、一般に、正弦波駆動による半導体高速波長可変光源の出力は数ｍＷ程度である。
そこで、本実施の形態においては、光増幅器を部分透過型エタロンと正弦波駆動による高速波長可変光源の間に設けることで、更なる高速ビーム走査を可能にすることができる。
また、本実施形態においては、部分透過型エタロンに適切な材料を用いることにより、例えば、吸収端が２００ｎｍ以下の材質のものを用いることにより、短波長光源、例えば青色レーザダイオードの出力に対しても容易にビーム走査系を構成することが可能となる。
また、フォトニック結晶を用いたものに比べ、構成が簡易であるため、安価に作製することが可能となる。
【実施例】
【００１９】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、光源として、多電極型の分布ブラッグ（ＤＢＲ）−レーザダイオード（ＬＤ）を用いた、可動部品を必要としない高速ビームスキャナーについて説明する。
図３に、本実施例の高速ビームスキャナーの構成を説明するための図を示す。
図３において、４００は多電極型ＤＢＲ−ＬＤによる光源、４０１は電界吸収型変調器（ＥＡＭ）、４０２は電流ドライバー、４０３は波形整形器である。
４０４はファイバーピッグテール、４０５は非球面レンズ、４０６はシリンドリカルレンズ、４０７は部分透過型エタロン、４０８は結像光学系、４０９は感光ドラム、４１０は光検出器である。
【００２０】
本実施例において、多電極型ＤＢＲ−ＬＤによる光源４００には、波長が８５０ｎｍによるＧａＡｓベースの、多電極型ＤＢＲ−ＬＤが用いられる。
上記ＬＤは、キャリア注入による屈折率制御によって、発振波長は〜５ｎｍ可変であり、２０ＭＨｚの繰り返しで周期的に掃引できるように構成される。
アクティブな領域だけでなく、ＤＢＲ領域、及び位相領域に注入する信号を、電流ドライバー４０２から供給し、それらは別個に波形整形器４０３を用いて調整されている。出力波長は正弦波状に変化する。
なお、より広い波長域を掃引したい場合には、ＤＢＲ／ＤＦＢ構造の代わりにスーパーストラクチャーグレーティングを有するＬＤを利用してもよい。
これにより、さらに広範囲な波長掃引（〜５０ｎｍ）が可能である。
【００２１】
ＤＢＲ−ＬＤの出力カップラーには電界吸収型変調器（ＥＡＭ：帯域〜１０ＧＨｚ）４０１が、導波路を介して接続されており、レーザ光は最終的にファイバーピッグテール４０４に導光される。
このＥＡＭ４０１は、デジタル信号と波形整形器４０３からの制御信号が重畳されて駆動される。
この制御信号にはレーザダイオードの出力モニタに基づく振幅制御信号、および部分透過型エタロンの副次的な回折成分からのタイミング制御信号が帰還されている。
電界吸収型の変調器は上記の多電極型ＬＤにモノリシックに集積することで、小型のデバイスが得られる。
また、上記のようにシングルモードファイバで接続する場合は、ＬｉＮｂＯ３のような電気光学効果を用いたデバイスを用いてもよい。
【００２２】
ファイバからのビームは非球面レンズ４０５を用いて〜１ｍｍのビーム径にコリメートされる。
このビームをｆ＝１．５ｍｍのシリンドリカルレンズ４０６で３°傾けた部分透過型エタロン４０７に入射される。回折主成分は結像光学系４０８を介して感光ドラム４０９に結像される。
なお、エタロン入射部での集光径は〜３μｍであり、ビームの空間的な広がりは、後述のＦＳＲの角度範囲よりも大きくなるため、わずかながら副次的な回折成分が生じる理由となっている。
副次的な回折成分は波長が確定するようにスリットなどを介して光検出手段である光検出器４１０で検出され、強度、およびタイミングの情報を波形整形器４０３にフィードバックしている。
従来のビーム走査方式と異なり、結像光学系におけるビームの｀蹴られ´を利用する必要がないので、ビーム走査角度を余分に大きくする必要はない。
なお、これらのフィードバック用の信号はアレイ状の検出器を利用してもよいし、回折主成分を跨ぐ形で両側に配置してもよい。
【００２３】
部分透過型エタロンは、全反射膜（Ｒ＝９９．９％、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の積層）と、部分透過膜（Ｒ＝９６％、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の積層）と、これらの間に設けられたスペーサ層（５０μｍ厚のＴｉＯ２）と、によって構成されている。
本実施例においてはエタロンの内部入射角は〜１．３６°であるので、当然のことながら、偏光依存性はほぼ有していない。
入射部（２ｍｍ厚）は単層ＡＲコートされており、エタロンは５ｍｍφのフレームに固定されている。
入射部においては、ビームの集光が十分小さいため（〜３μｍ）、ビームの蹴られは無視できる。
なお、これらの構成材料は使用波長において光学的に透明であればよく、例えばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、フッ化物ポリマーなどを用いることで、紫外域まで使用可能である。
さらに、部分透過膜の反射率を空間的にチャープさせるために、例えばスパッタリングにおいて、スペーサ層が時間的に移動する機構を設け、部分透過膜の膜厚を空間的に制御してもよい。
また、ＵＶ光照射によって屈折率分布を誘起することや、ポリマーをスペーサ層に用いる場合には、ポリマーファイバなどに利用される屈折率分布形成技術を利用することで、適切な屈折率分布を設けてもよい。
これらによって、結像面上でのスポットのアスペクト比を改善することができ、ビーム強度を制御する変調器への負荷を軽減できる。
本実施例において、部分透過型エタロンのＦＳＲは〜７ｎｍであるので、±１．６ｎｍの波長範囲でレーザ波長を掃引すれば、他の次数とオーバーラップすることはない。これに対応する掃引角度範囲は〜２０°となる。
【００２４】
図４に、本実施例における部分透過型エタロンの角度分散を示す。
角度分散は８５０ｎｍ近傍で〜０．１１ｒａｄ／ｎｍ程度になっており、中心波長から離れるに従って線形ではなくなる。
しかし、この特性によって、波長掃引を正弦波状に駆動することによって、ビーム走査の出射角度が時間に対して線形な関係となる。
なぜならば、波長変動がゆるやかな瞬間において、角度分散が大きな値を取るからである。
線形性の低い部分では光検出器４１０からのフィードバック信号に同期してＥＡＭ４０１を振幅変調してもよい。
図５に、出力波長（Ａ）、光検出器４１０の結像面における出力ビームスポット位置（Ｂ）の経時的変化を示す。
併せて、線形性の低いエッジ部でビームを遮断するための光検出器４１０からの信号（Ｃ、Ｄ）の経時的変化を示す。
部分透過型エタロンの出射角の波長依存性を反映して、ビームスポットの等速度性が向上することがわかる。
以上の本実施例の構成によれば、シンプルな構成で、可動部がなく、高速スキャンレート（＞２０ＭＨｚ）で、高い線形性、等速度性を有するスキャナーを構成することができる。
【００２５】
［実施例２］
実施例２では、紫外域で動作する、稼動部品を必要としない高速ビームスキャナーについて説明する。
本実施例では、光源として１．０６μｍの偏波保持Ｙｂ添加ファイバ光源をベースに、２６６ｎｍに波長変換された紫外光源のスキャナーの構成例について説明する。
図６に、本実施例の紫外域で動作するスキャナーの構成を説明するための図を示す。
図６において、８００はＹｂファイバ、８０１はシングルモードＬＤ、８０２はＷＤＭ、８０３は１３ｄＢカップラー、８０４は電気光学変調器、８０５はアイソレータである。
８０６はコア励起のＹｂファイバ増幅器、８０７はクラッド励起のＹｂ添加ファイバ増幅器、８０８はＰＰＬＮ、８１０はハーモニックセパレータ、８１１はＢＢＯ結晶、８１２はシリンドリカルレンズ、８１３は部分透過型エタロンである。
【００２６】
本実施例において、基本波の光源として、分散チューニングされたモード同期光源を用いる。
共振器はＹｂファイバ８００を含む９０ｍの偏波保持ファイバリングからなり、モード間隔は〜２．３ＭＨｚである。
Ｙｂ添加ファイバ長（カットオフ波長９２０ｎｍ、Ｙｂ３＋添加濃度２０００ｐｐｍ ）は７０ｃｍで、９８０ｎｍシングルモードＬＤ８０１（〜１００ｍＷ）でＷＤＭ８０２経由で励起される。
出力カップラーは１３ｄＢカップラー８０３である。
ＬｉＮｂＯ３の電気光学変調器（ＥＯ）８０４により強度変調し、〜１ＧＨｚ付近で分散チューニングされるようになっている。
すなわち、レーザの出力波長はＥＯに印加するＲＦ信号のダイナミックな変化に追従し、掃引される。
チューニング感度は〜４０ｎｍ／ＭＨｚである。
例えば１．０００ＧＨｚから１．００１ＧＨｚに線形に周波数掃引することで、１０３０〜１０８０ｎｍの波長範囲を波長スイープできるので、これに任意の繰り返し周波数で変調した信号をＥＯに印加すると波長掃引の周波数が決まる。
繰り返し周波数は最高で１００ｋＨｚである。
【００２７】
出力をコア励起のＹｂファイバ増幅器８０６、クラッド励起のＹｂ添加ファイバ増幅器８０７で順次増幅し、〜１５Ｗの出力を得る。
偏波保持ファイバの出射角に注意して、これを温度制御されたＰＰＬＮ８０８に入射し、〜１．５Ｗの５３２ｎｍに波長変換する。
振幅制御用の音響光学変調器８１４を通してハーモニックセパレータ８１０を通した後、再度ＢＢＯ結晶８１１に入射し、〜５０ｍＷの２６６ｎｍを得る。
この２６６ｎｍの波長変換光を１ｍｍにコリメートし、図４と同様にシリンドリカルレンズ８１２（ｆ〜１ｍｍ）を用いて以下の特性をもつ部分透過型エタロン８１３の入射端に入射する。
【００２８】
本実施例における部分透過型エタロンは、１０μｍ厚のＡｌ２Ｏ３からなるスペーサ層、Ｒ＝９９．８％ の全反射鏡（Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２誘電体多層膜４０層）、Ｒ＝９６．２％の部分反射鏡 （Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２誘電体多層膜２０層）から構成される。
図７に、部分透過型エタロンの出射角と波長分散の波長依存特性を説明するための図を示す。
そこには、入射角を３°としたときの応答を計算したものが示されている。
ＦＳＲは〜１．８ｎｍであり、角度分散は〜０．２５ｒａｄ／ｎｍであるが、本実施例では短波長なのでビームの有限な広がり（〜１２．５°）によって、角度の振れ幅は限定される。
しかしながら、光源の基本波は波長幅として〜４ｎｍの範囲を掃引すれば十分であり、高効率で所望の次数にパワーを入射することが可能で、さらに離調範囲がＦＳＲよりも十分狭いために、波長に対する出射角の線形性は非常によい。
十分なＦＳＲを利用するためには、部分透過型エタロンへの集光光学系の収差を低減することで対応できる。
本実施例の光源に対して、正弦的な波長掃引を行う場合には、入射角度を変えて、出射角の時間変化依存性の線形性を高めることができる。
上記のシステムは結像光学系を有する改質加工機に搭載されており、ラインスキャンをベースとするサブミクロンオーダーのパターニングや改質加工に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態におけるレーザビーム走査装置の角度分散デバイスを構成する部分透過型エタロンの位相差の関係を説明するための図。
【図２】本発明の実施形態におけるスペーサ部の屈折率変調によるモード分布と出射光の振幅の関係を示す図。
【図３】本発明の実施例１における高速ビームスキャナーの構成を説明するための概略図。
【図４】本発明の実施例１における部分透過型エタロンの角度分散を示す図。
【図５】本発明の実施例１における出力波長（Ａ）、ビームスポット位置（Ｂ）、光検出器からのトリガー信号（Ｃ、Ｄ）の経時的変化を示す図。
【図６】本発明の実施例２における紫外域で動作するスキャナーの構成を説明するための概略図。
【図７】本発明の実施例２における部分透過型エタロンの出射角と波長分散の波長依存特性を説明するための図。
【符号の説明】
【００３０】
１００：全反射膜
１０１：部分透過膜
１０２：スペーサ層
４００：多電極型ＤＢＲ−ＬＤによる光源
４０１：電界吸収型変調器
４０２：電流ドライバー
４０３：波形整形器
４０４：ファイバピッグテール
４０５：非球面レンズ
４０６：シリンドリカルレンズ
４０７：部分透過型エタロン
４０８：結像光学系
４０９：感光ドラム
４１０：光検出器
８００：Ｙｂファイバ
８０１：シングルモードＬＤ
８０２：ＷＤＭ
８０３：１３ｄＢカップラー
８０４：電気光学変調器
８０５：アイソレータ
８０６：コア励起のＹｂファイバ増幅器
８０７：クラッド励起のＹｂ添加ファイバ増幅器
８０８：ＰＰＬＮ
８１０：ハーモニックセパレータ
８１１：ＢＢＯ結晶
８１２：シリンドリカルレンズ
８１３：部分透過型エタロン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置であって、
前記部分透過型エタロンは、出射角の波長依存性が非線形性を示し、前記波長可変光源の波長を正弦波駆動することを特徴とするレーザビーム走査装置。
【請求項２】
前記部分透過型エタロンの副次的な回折成分をモニタする光検出手段を、更に有することを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム走査装置。
【請求項３】
前記部分透過型エタロンは、全反射膜と部分透過膜との間に設けられたスペーサ層を備え、該スペーサ層に屈折率分布を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザビーム走査装置。
【請求項４】
前記正弦波駆動による波長可変光源には、振幅変調器が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザビーム走査装置。
【請求項５】
前記正弦波駆動による波長可変光源と前記部分透過型エタロンとの間には、光増幅器が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザビーム走査装置。
【請求項６】
前記部分透過型エタロンは、吸収端が波長２００ｎｍ以下の材質のもので構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザビーム走査装置。
【請求項１】
波長可変光源と、部分透過型エタロンを備え、該波長可変光源からのレーザビームを該部分透過型エタロンに入射させ、レーザビーム走査をするレーザビーム走査装置であって、
前記部分透過型エタロンは、出射角の波長依存性が非線形性を示し、前記波長可変光源の波長を正弦波駆動することを特徴とするレーザビーム走査装置。
【請求項２】
前記部分透過型エタロンの副次的な回折成分をモニタする光検出手段を、更に有することを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム走査装置。
【請求項３】
前記部分透過型エタロンは、全反射膜と部分透過膜との間に設けられたスペーサ層を備え、該スペーサ層に屈折率分布を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザビーム走査装置。
【請求項４】
前記正弦波駆動による波長可変光源には、振幅変調器が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザビーム走査装置。
【請求項５】
前記正弦波駆動による波長可変光源と前記部分透過型エタロンとの間には、光増幅器が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザビーム走査装置。
【請求項６】
前記部分透過型エタロンは、吸収端が波長２００ｎｍ以下の材質のもので構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザビーム走査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１４５８３８（Ｐ２００９−１４５８３８Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２５９４１（Ｐ２００７−３２５９４１）
【出願日】平成１９年１２月１８日（２００７．１２．１８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１８日（２００７．１２．１８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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