专利名称：光学掩模以及光源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在输入光的光束截面中进行空间强度调制并输出该调制后的光的光 学掩模，以及，包含这种光学掩模的光源装置。
背景技术：
在观察被观察物或加工被加工物的情况下，从激光光源等的光源输出的光，经过 包含透镜等的聚光照射光学系统，而被聚光照射在被观察物或被加工物上。在这样进行光 的聚光的情况下，作为该聚光直径的大小的基准的光束束腰(waist)直径，只能减小到光 的波长的一半左右。这被称为衍射极限。但是，该衍射极限是关于高斯模式(或者基本模 式)的光的极限。另一方面，存在具有比衍射极限更微小的空间结构的高次模式光。
作为具有这种性质的光束，已知贝塞尔(Bessel)光束和拉盖尔·高斯·模式 (Laguerre-Gaussian Mode)光(下面称为“LG模式光”)。如果采用这样的光束，则可以有 效地使光能量集中于衍射极限以下的微小区域。例如非专利文献1 6中记载了输出LG 模式光的光源装置。另外，非专利文献7中记载了用three-ring(3R)filter对相同分布的直线偏振光 进行聚光而形成微小光斑的技术。再有，非专利文献8 10中记载了用高NA(数值孔径) 透镜对径向偏振光激光光束进行聚光而形成微小光斑的技术。非专利文献 1 :J. Arlt, et al.，Journal of Modern Optics, Vol. 45，No. 6， pp.1231-1237(1998)。非专利文献2 :D. G. Grier, Nature, Vol. 424，pp. 810-816 (2003)。非专利文献 3 :M. W. Bei jersbergen, et al. , Optics Communications, Vol. 112, pp.321-327(1994)。非专禾O 文献 4 :k. Sueda, et al.，Optics Express, Vol. 12，No. 15， pp.3548-3553(2004)。非专利文献 5 :N. R. Heckenberg, et al.，Optics Letters, Vol. 17，No. 3, pp.221-223(1992)。非专利文献 6 :N. R. Heckenberg, et al. , Optical and QuantumElectronics, Vol. 24，No. 24，pp. 155-166(1992)。非专利文献 7 :M.Martinez-Corral，et al. , Appl. Phys. Lett. VOl. 85, No. 19, pp.4319-4321(2004)。非专利文献 8 :R. Dorn, et al.，Phys. Rev. Lett. Vol. 91，No. 23，p. 233901 (2003)。非专利文献 9 :S. Quabis, et al. , Opt. Commun. Vol. 179，pp. 1—7(2000)。非专禾Ij 文献 10 :Υ· Kozawa，et al. , J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 24, No. 6, pp. 1793-1798(2007)。
发明内容
发明所要解决的问题如非专利文献1 6中记载的LG模式光，在其光束截面中，由于在中心光斑的周 围本质上具有环状区域(下面称为“旁瓣(side lobe)”)，因此存在分辨率低、中心光斑的 能量集中度低等的问题。即使在非专利文献7记载的技术中，中心光斑直径以及旁瓣中的 任意一点也都不能充分解决上述问题。另外，非专利文献8 10中记载的技术，由于利用径向偏振光激光光束所特有的 性质，因而不能适用于直线偏振光光束的情况。另外，由于该技术只在高NA下有效地显像， 因而在低NA下无法实现。再有，因为该技术只对透镜的外周的光进行聚光，因而光的利用 效率非常低。本发明正是为了解决上述问题而完成的，本发明的目的在于提供一种能够减小中 心光斑直径并且能够增大中心光斑的能量集中度的光源装置、以及这种光源装置中优选使 用的光学掩模。解决问题的方法 本发明所涉及的光学掩模是在输入光的光束截面中进行空间强度调制并输出该 调制后的光的光学掩模，在被以规定位置作为中心的P个半径为T1 rp(p为偶数，rp > V1 > > r2 >巧并且Tp-IV1 > rp_rrp_2 > > r3_r2 > Γ2-Γι > Γι)的各圆周划分并从 内侧开始依次设定区域Atl-Ap时，区域Am(m为0以上ρ以下的偶数)是光透过区域，区域 An(η为0以上ρ以下的奇数)是光屏蔽区域。上述光学掩模优选为ρ个半径巧 rp与ρ 次Laguerre多项式的ρ个实数根的平方根成比例的掩模。本发明所涉及的光源装置具备输出相干光的光源、将从光源输出的光聚光在聚光 点上的聚光光学系统、以及设置在光源和聚光点之间的光路上的上述本发明所涉及的光学掩 模。再有，光学掩模将从光源输出的光输入到区域A0 Ap，并将透过光透过区域的光输出。上述光源装置优选还具备光相位调制元件，该光相位调制元件设置在光源和光学 掩模之间，输入从光源输出的光，根据该光在光束截面上的位置对该光进行相位调制，并输 出该相位调制后的光。在这种情况下，优选，在从光相位调制元件输出并输入到光学掩模的 光的光束截面中，分别输入到光透过区域以及光屏蔽区域的光的相位彼此只相差η。上述光源装置中，优选，光相位调制元件对输入光进行相位调制并输出矢径指数 为P的LG模式光。上述光源装置中，优选，光相位调制元件为基于从外部输入的控制信号而设定各 像素的相位调制量的元件。发明的效果根据本发明，能够减小中心光斑直径并且能够增大中心光斑的能量集中度。
图1是本实施方式所涉及的光源装置1的构成图。图2是本实施方式所涉及的光学掩模15的平面图。图3是本实施方式所涉及的光学掩模15的平面图。图4是表示聚光点附近的光强度分布的计算结果的图。
图5是表示中心光斑直径和β之间的关系的图表。图6是表示中心光斑的能量集中度η和β之间的关系的图表。图7是表示聚光点附近的光强度分布的其它计算结果的图。图8是将矢径指数ρ设为4时的光学掩模15的平面图。图9是将矢径指数ρ设为6时的光学掩模15的平面图。图10是将矢径指数ρ设为2时的光学掩模15的平面图。
图11是将矢径指数ρ设为4时的光学掩模15的平面图。图12是将矢径指数ρ设为6时的光学掩模15的平面图。图13是表示光学掩模被设置在入射面上的透镜16Α的构成的截面图。图14是表示在相当于光屏蔽区域的区域中不具有聚光作用的透镜16Β的构成的 截面图。符号的说明1…光源装置；2…聚光面；10…激光光源；11，12…透镜；13…孔；14…光相位调制 元件；15···光学掩模；16…透镜。
具体实施例方式以下，参照附图，对用于实施本发明的最佳方式进行详细的说明。另外，在附图中， 对相同的要素标注相同的符号，省略重复的说明。图1是本实施方式所涉及的光源装置1的构成图。该图所示的光源装置1具备 激光光源10、凸透镜11、凸透镜12、孔13、透过型光相位调制元件14、光学掩模15以及凸透 镜16。图2是本实施方式所涉及的光学掩模15的平面图。图2中，从光轴方向看光学掩模 15。激光光源10为输出相干的激光的光源，例如He-Ne激光光源等。透镜11以及透 镜12发挥作为扩束器(beam expander)的作用，输入从激光光源10输出的光，扩大该光的 光束直径，并作为平行光输出该光。孔13具有圆形的开口，输入从透镜11以及透镜12输 出的光，并将该光的光束截面中通过开口的部分输出到光相位调制元件14。光相位调制元件14输入从激光光源10输出、经过透镜11，12、并通过孔13的开 口的光，根据该光在光束截面上的位置对该光进行相位调制，使该相位调制后的光透过光 学掩模15而输出。光相位调制元件14可以是通过加工玻璃板等的表面而具有厚度分布的 元件，但是优选为基于从外部输入的控制信号来设定透过时的各像素的相位调制量的单元 (SLM =Spatial Light Modulator)。在使用SLM作为光相位调制元件14的情况下，可以电 写入相位调制量的空间分布，必要时能够赋予各种相位调制分布。光学掩模15输入由光相位调制元件14进行相位调制后的光，在该光的光束截面 中进行空间强度调制，并将该调制后的光输出到透镜16。透镜16发挥作为使从光学掩模 15输出的光聚光在聚光面2上的聚光光学系统的作用。聚光面2例如为被观察物或被加工物等。如图2所示，光学掩模15为在被以规定位置(主光线通过的位置)作为中心的 P个半径为巧 rp的各圆周划分并从内侧开始依次设定区域Atl Ap时，区域Am (m为0以 上P以下的偶数)是光透过区域，区域An(n为0以上ρ以下的奇数)是光屏蔽区域。另外，图1以及图2中，将p值设为2。在此，p为偶数，“rp > > > r2 >巧”并且“1^-1^ > rP-i"rP-2 > —> r3-r2 > r2~r1 > 巧”。使用图3进一步对光学掩模15进行详细的说明。图3是本实施方式所涉及的光学 掩模15的平面图。该图3中，也是从光轴方向看光学掩模15。如该图所示，在光学掩模15 中，设定被以规定位置作为中心的P个半径为巧 的各圆周划分的(p+1)个区域A。
Ap，从内侧开始依次设定为区域‘~，4，…，Ap。p是偶数。位于最内侧的区域A。是半径 为。的圆周的内侧区域。位于最外侧的区域Ap是半径为 的圆周的外侧区域。另外，区 域&和区域Ap之间的各区域&是被半径为巧的圆周和半径为ri+1的圆周划分的圆环状区 域(i = 1,2,3,…，p-1)。此时，区域A。 Ap各自的径向的宽度为越在外侧的区域越大。即半径巧 ！^之 间满足以下的关系式。另外，对于位于最内侧的区域&，将半径。作为径向的宽度。并且， 区域Am (m为0以上p以下的偶数)是光透过区域，区域An(n为0以上p以下的奇数)是光 屏蔽区域，位于最外侧的区域Ap成为光透过区域。 关于矢径方向r，如以下所述对于应设定的p个半径巧 rp进行设定。半径巧 rp存在于光强度成为0的部分(“节”)。光强度分布的节能够由⑵式所表示的Laguerre 多项式Sp(z)的零点求出。另外，p被称作矢径指数，一般是自然数，在本实施方式中为正偶 数。Laguerre多项式是p次多项式，有p个不同的正实数根ai ap。如果采用这些根 和 光束束腰半径w，那么半径巧用(3)式表示(i = 1，2，3，…，p)。即p个半径巧 &与口 次Laguerre多项式的p个实数根的平方根成比例。 在图1所示的构成中，输入到光学掩模15的光，在其光束截面中，相位可以是固定 的，但是优选为(P+1)个区域^ ~中相邻的2个区域之间相位只相差ji。即优选输入 到第偶数个光透过区域4，A2，…，Ap的光的相位与输入到第奇数个光屏蔽区域、，A3，…， Ay的光的相位彼此只相差Ji。在第偶数个光透过区域&，A2，…，Ap各自的区域内的相位 调制量是固定的。另外，在第奇数个光屏蔽区域AnA3，…，A"各自的区域内相位调制 量牝是固定的。并且，这些相位调制量 。和相位调制量牝彼此只相差n。由光相位调 制元件14完成这样的光相位调制后输出的光，成为矢径指数为p、偏角指数为0的LG模式 光。本实施方式所涉及的光源装置1如以下所述进行动作。从激光光源10输出的相 干的激光被凸透镜11以及凸透镜12扩大光束直径，之后，其光束截面的一部分通过孔13 的圆形开口，使光束截面成为圆形，并被输入到光相位调制元件14。被输入到光相位调制元 件14的光根据光束截面上的位置而由该光相位调制元件14进行相位调制，并作为矢径指 数为P、偏角指数为0的LG模式光输出。从该光相位调制元件14输出的LG模式光被输入到光学掩模15。此时，输入到光学掩模15的光透过区域&，A2，…，Ap的光的相位调制量是固定的，输入到光学掩模15 的光屏蔽区域AnA3，…，Ay的光的相位调制量牝是固定的，这些相位调制量和相位 调制量牝彼此只相差n。因此，输入到光学掩模15的LG模式光中从光学掩模15输出的 光是在光透过区域&，A2，…，Ap中选择性地透过的光，相位调制量(K是固定的。从光学 掩模15输出的光，在其光束截面中，除了具有透过光透过区域&的中心光斑以外，还具有 分别透过光透过区域A2，…，~的同心圆形环。并且，从该光学掩模15输出的光被透镜16 聚光在聚光面2上。接着，表示用vectorial Debye formula进行数值计算的结果。将LG模式光的光 束半径w和透镜16的入瞳半径之比表示为0 (=入瞳半径/LG模式光半径)。另外，将“聚 光点”设为透镜16的几何学上的后焦点位置。图4是表示聚光点附近的光强度分布的计算结果的图。将LG模式光设为直线偏振 光，矢径指数P设为2，偏角指数设为0。另外，将0设为2. 5，将透镜16的NA设为0.85。 同图(a)，(b)表示包含聚光点且垂直于光轴的面中的光强度分布；同图(a)表示不使用光 学掩模15的比较例的情况下的光强度分布；同图(b)表示使用光学掩模15的本实施方式 的情况下的光强度分布。另外，同图(c)，(d)表示包含光轴的面中的光强度分布；同图(c) 表示不使用光学掩模15的比较例的情况下的光强度分布；同图(d)表示使用光学掩模15 的本实施方式的情况下的光强度分布。如果与不使用光学掩模15的比较例的情况(同图(a)，(c))相比较，在使用光学 掩模15的本实施方式的情况(同图(c)，(d))下，聚光点附近位于中心光斑的周围的旁瓣 的光强度大幅降低，焦点深度变短。另外，将Halfmaximum area(强度平方的峰值为一半处 的面积)作为中心光斑的大小，与比较例的情况(0. 248 A 2)相比较，则本实施方式的情况 (0. 305 A 2)变大了少许。在此，\是光的波长。图5是表示中心光斑直径和0之间关系的图表。将中心光斑直径设为Half maximum area。将透镜16的NA设为0. 78,0. 80,0. 85等3个值。从该图可知，如果增大透 镜16的NA，则中心光斑变小。另外，在矢径指数p为2的时候，不论透镜16的NA如何，3 在2附近且都能够减小最中心光斑。即在矢径指数p为2的条件下，通过将透镜16的入瞳 直径设定为LG模式光的光束直径的2倍，能够得到最小的光斑直径。另外，在透镜16的NA 为0. 85的条件下，最小光斑直径为0. 276入2。图6是表示中心光斑的能量集中度n和0之间关系的图表。中心光斑的能量集 中度n表示中心光斑在全部光强度中所占的光强度的比例。将透镜16的NA设为0.78、 0. 80、0. 85等3个值。另外，在用于比较的比较例中，将透镜16的NA设为上述3个值，而且 不使用光学掩模15，此时能量集中度n用黑四边形符号表示。从该图可知，本实施方式中 的中心光斑的能量集中度n不依赖于透镜16的NA，该点与比较例相同。但是，本实施方 式中的中心光斑的能量集中度n与不使用光学掩模15的比较例相比较，能够改善30%左 右O图7是表示聚光点附近的光强度分布的其它计算结果的图。在此，将矢径指数p 设为4或6。图8是将矢径指数p设为4时的光学掩模15的平面图。另外，图9是将矢径 指数P设为6时的光学掩模15的平面图。在上述任何情况下都将透镜16的NA设为0. 85。 将矢径指数P设为4，并将此时的0设为3. 3。将矢径指数p设为6，并将此时的0设为3.8。图7(a)，(b)表示包含聚光点且垂直于光轴的面中的光强度分布；同图(a)表示将矢 径指数P设为4时的光强度分布；同图(b)表示将矢径指数p设为6时的光强度分布。另 外，同图(c)，(d)表示包含光轴的面中的光强度分布；同图(c)表示将矢径指数p设为4时 的光强度分布；同图(d)表示将矢径指数p设为6时的光强度分布。通过如本实施方式那样采用光学掩模15，从而可知在聚光点附近旁瓣大幅降低。 另外，在将矢径指数P设为4时，相对于不使用光学掩模15的比较例中的0. 083，中心光斑 的能量集中度n在使用光学掩模15的本实施方式中为0.405。另外，在将矢径指数p设为 6时，相对于不使用光学掩模15的比较例中的0. 054，中心光斑的能量集中度n在使用光 学掩模15的本实施方式中为0. 349。在上述任何情况下，在使用光学掩模15的本实施方式 中，中心光斑的能量集中度n都被大幅改善。再有，在将矢径指数p设为4时，透镜16的NA为0. 85的条件下的最小光斑直径 为0. 286 A 2，在将矢径指数p设为6时，透镜16的NA为0. 85的条件下的最小光斑直径为 0. 290 A 20另外，在非专利文献7记载的技术中，在同样的条件下使用3R掩模得到的最小 光斑直径为0. 301入2，与此相比较，本实施方式具有优势。以上所述的实施方式中，对作为聚光光学系统的透镜16的NA较高且为直线偏振 光的情况进行了说明。但是，对于本实施方式的效果，即中心光斑直径的缩小以及中心光斑 的能量集中度的提高，并不依赖于透镜16的NA，而且，在直线偏振光以外的偏振光状态下 也有效。作为特别有效地利用本实施方式所涉及的光源装置1的例子，可以举出在微小光 源少的直线偏振光下的利用。例如，在利用磁光效应的磁光盘的读出系统中，根据记录在磁 光盘中的磁气从而检测出直线偏振光旋转的成分，通过利用本实施方式所涉及的光源装置 1，能够实现大容量化。另外，光学掩模15的位置如上所述可以为作为聚光光学系统的透镜16的前方，也 可以为透镜16的后方。另外，光学掩模15也可以设置形成在透镜16的入射面或出射面上。 另外，光相位调制元件14和光学掩模15可以为一体，在这种情况下，也可以使用能够对每 个像素实施强度调制以及相位调制的SLM。另外，如上所述的实施方式中，由光相位调制元件14生成的LG模式光入射到光学 掩模15，并且在其入射时，输入到光学掩模15的光透过区域&，A2，…，Ap的光的相位调制 量扒固定，输入到光学掩模15的光屏蔽区域、，A3，…，Ay的光的相位调制量牝固定， 这些相位调制量 。和相位调制量彼此只相差n。并且，在输入到光学掩模15的光中 的、输入到光透过区域&，A2，…，Ap的光选择性地从光学掩模15输出。即从光学掩模15输出的光，在其光束截面中，除了具有透过光透过区域&的中心 光斑之外，还具有分别透过光透过区域A2，…，~的同心圆形的环，相位调制量(K固定。因 此，如以下所述，输入到光学掩模15的光并不一定是LG模式光，也可以是在光束截面中相 位固定的光。在这种情况下，从光学掩模15输出的光，在其光束截面中，也与如上所述的实 施方式相同。以下，对这种情况进行说明。图10是将矢径指数p设为2时的光学掩模15的平面图。图11是将矢径指数p 设为4时的光学掩模15的平面图。另外，图12是将矢径指数p设为6时的光学掩模15的 平面图。这些图也是从光轴方向看光学掩模15。另外，在这些图中，表示了作为(p+1)个区域& ~的边界的各圆周的半径巧被光束束腰半径w标准化的值(lyV)以及日的各 值。作为(p+1)个区域^-Ap的边界的各圆周的半径巧(1 = 1 p)，按照如上所述 的⑵式以及⑶式同样地求出。但是，为了发挥使中心光斑直径最缩小的效果，有必要适 当设定光束半径w和透镜16的开口半径之比0。即在试图使LG模式光入射到光学掩模 15而形成旁瓣少的微小光斑的情况下，必须将0设定为以入射LG模式光的入瞳面中的光 束半径参数w作为单位的值(即实际尺寸中为w0)。相对于此，在相位固定的光入射到光 学掩模15的情况下，只有各半径值^的相对值具有意义，为了得到与LG模式光入射时同 样的效果，也有必要考虑与0的相对关系。—般来说，0必须至少比最外侧的光屏蔽区域的外半径 大，与入射光存在电场 振幅的范围(P为2时，0大概为3左右)相比较，优选为非极大值。为了得到更微小的中心光斑直径，如以下所述设定0是有效的。例如，在矢径指 数p为2的LG模式光输入的情况下，如图5所示，在不依赖于透镜16的NA且0大概为2 的时候，得到最小的焦点光斑。该0值在相位相同的光输入到光学掩模15时也有效。即 如图10所示，在矢径指数p为2的情况下，可以设计成大概为“OyV) (r2/w) 3 = 0.5412 1.3066 2.0”的比并且3为透镜16的有效开口直径。但是，与矢径指数p为 2的情况相比较，在矢径指数p为4或6的情况下，中心光斑直径稍稍变大。图11以及图 12中分别记录了 0的优选值。为了得到相对于矢径指数p的各值优选的0值，有必要预 先求出图5所示的关系。另外，光学掩模15的光屏蔽区域AnA3，…，Ay是遮断入射的光的区域，可以通过 吸收光来遮断，可以通过反射光来遮断，也可以通过使光散射来遮断。另外，在通过吸收光 来遮断时，在光屏蔽区域AnA3，…，Ay上涂布吸收色素。在通过反射光来遮断时，在光屏 蔽区域AnA3，…，Ay上形成金属等的反射膜。另外，在通过使光散射来遮断时，通过喷沙 加工等在光屏蔽区域A3，…，Ay上形成粗糙面部分。总之，入射到光屏蔽区域AnA3，…，Ay的光也可以通过作为聚光光学系统的透镜 16不被聚光到聚光点。因此，如图13的截面图所示，作为光学掩模被设置在入射面上的透 镜16A的构成，在该透镜16A的入射面上的相当于光屏蔽区域、，A3，…，Ay的区域中，可 以通过吸收光来遮断，可以通过反射光来遮断，也可以通过使光散射来遮断。另外，如图14 的截面图所示，透镜16B可以是在相当于光屏蔽区域~，A3，…，Ay的区域中不实现聚光作 用的构成，例如可以是这些区域变成贯通孔的构成。在这种情况下，通过贯通孔的光一直前 进，因而没有被聚光到聚光点。
权利要求
一种光学掩模，其特征在于，该光学掩模是在输入光的光束截面中进行空间强度调制并输出该调制后的光的光学掩模，在所述光学掩模被以规定位置作为中心的p个半径为r1～rp的各圆周划分，并从内侧开始依次设定区域A0～Ap时，区域Am是光透过区域，区域An是光屏蔽区域，其中，p为偶数，rp＞rp-1＞…＞r2＞r1并且rp-rp-1＞rp-1-rp-2＞…＞r3-r2＞r2-r1＞r1，m为0以上p以下的偶数，n为0以上p以下的奇数。
2.根据权利要求1所述的光学掩模，其特征在于，所述P个半径巧 rp与ρ次Laguerre多项式的ρ个实数根的平方根成比例。
3.一种光源装置，其特征在于， 具备输出相干光的光源；使从所述光源输出的光聚光在聚光点上的聚光光学系统；以及 设置在所述光源和所述聚光点之间的光路上的如权利要求1或者2所述的光学掩模， 所述光学掩模将从所述光源输出的光输入到所述区域A0 Αρ，并将透过所述光透过区 域的光输出。
4.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，还具备光相位调制元件，该光相位调制元件设置在所述光源和所述光学掩模之间，输 入从所述光源输出的光，根据该光在光束截面上的位置对该光进行相位调制，并输出该相 位调制后的光，在从所述光相位调制元件输出并输入到所述光学掩模的光的光束截面中，分别输入到 所述光透过区域以及所述光屏蔽区域的光的相位彼此只相差η。
5.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于，所述光相位调制元件对输入光进行相位调制并输出矢径指数为P的LG模式光。
6.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于，所述光相位调制元件为基于从外部输入的控制信号而设定各像素的相位调制量的元件。
全文摘要
本发明涉及光学掩模以及光源装置。该光学掩模是在输入光的光束截面中进行空间强度调制并输出该调制后的光的光学掩模，在被以规定位置作为中心的p个半径为r1～rp(p为偶数，rp＞rp-1＞…＞r2＞r1并且rp-rp-1＞rp-1-rp-2＞…＞r3-r2＞r2-r1＞r1)的各圆周划分并从内侧开始依次设定区域A0～Ap时，区域Am(m为0以上p以下的偶数)是光透过区域，区域An(n为0以上p以下的奇数)是光屏蔽区域。
文档编号G02B5/00GK101849199SQ20088011390
公开日2010年9月29日 申请日期2008年6月26日 优先权日2007年10月29日
发明者丰田晴义, 井上卓, 大竹良幸, 安藤太郎, 松本直也 申请人:浜松光子学株式会社